Содержание к диссертации
Введение
1. Современные методы обработки поверхности металлов и сплавов концентрированными потоками энергии 18
1.1 Описание проблемы, обоснование актуальности темы исследования 18
1.2 Характеристика современных методов обработки поверхности металлических материалов 1.2.1 Упрочнение поверхностных слоев металлов и сплавов лазерным излучением, электронными пучками и импульсными плазменными струями 19
1.2.2 Методы наплавки 26
1.3 Физические и технологические особенности обработки поверхности концентрированными потоками энергии 35
1.3.1 Модификация структурно-фазовых состояний поверхности металлических материалов при обработке лазерным излучением, электронными пучками и импульсными плазменными струями 35
1.3.2 Процессы, протекающие при электродуговой наплавке 43
1.4 Механизмы формирования структуры и механических свойств металлов и сплавов при обработке поверхности концентрированными потоками энергии 49
1.4.1 Механизмы упрочнения металлов и сплавов при обработке поверхности лазерным излучением, электронными пучками и импульсными плазменными струями 49
1.4.2 Влияние наплавки на эксплуатационные свойства деталей и конструкций 55
1.5 Цель и задачи исследования 60
2. Оборудование, материалы и методики исследования... 62
2.1 Оборудование и режимы электровзрывного легирования, элек
тронно-пучковой обработки и электродуговой наплавки 62
2.1.1 Лабораторная электровзрывная установка ЭВУ 60/10 для получения импульсных многофазных плазменных струй и особенности методики проведения электровзрывного легирования . 62
2.1.2 Оборудование для обработки поверхности материалов низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками и особенности методики ее проведения 66
2.1.3 Режимы обработки
2.2 Материалы подложек для исследования процессов электровзрывного легирования и электродуговой наплавки 69
2.3 Методики исследования структуры, фазового состава и свойств модифицированных поверхностных слоев 74
3. Растровая электронная микроскопия и рентгеноспек тральный микроанализ поверхностных слоев сплавов вт1-0 и вт6 после электровзрывного легирования и последующей электронно-пучковой обработки 78
3.1 Особенности структуры поверхности сплавов ВТ1-0 и ВТ6 после различных видов электровзрывного легирования и комбинированной обработки 78
3.2 Особенности градиента структуры по глубине зоны комбинированной обработки сплава ВТ1-0 107
3.3 Особенности градиента структуры по глубине зоны комбинированной обработки сплава ВТ6 119
3.4 Выводы 135
4. Фазовый состав зоны легирования технически чистого титана вт1-0 после комбинированной обработки 137
4.1 Анализ структурно-фазовых состояний сплава ВТ1-0 после электровзрывного науглероживания с порошковой навеской диборида титана и последующей электронно-пучковой обработки 137
4.2 Анализ структурно-фазовых состояний сплава ВТ1-0 после электровзрывного науглероживания с порошковой навеской карбида кремния и последующей электронно-пучковой обработки 147
4.3 Анализ структурно-фазовых состояний сплава ВТ1-0 после электровзрывного науглероживания с порошковой навеской оксида циркония и последующей электронно-пучковой обработки 161
4.2 Выводы 180
5. Структура покрытий, наплавленных на сталь hardox 400 порошковыми проволоками endotec do 30, en dotec do 33 и sk A 70-G 183
5.1 Структура покрытий, выявленная методами световой и растровой электронной микроскопии 183
5.2 Исследование элементного состава покрытий методами рентгеноспектрального микроанализа 201
5.3 Фазовый состав покрытий 205
5.4 Электронно-микроскопический микродифракционный анализ фазового состава покрытий методом реплик с экстракцией 212
5.5 Выводы 227
6. Механические свойства поверхности обработки и внедрение способов и технологии упрочнения и защиты металлов и сплавов концентрированными по токами энергии 229
6.1 Микротвердость и износостойкость зоны легирования технически чистого титана ВТ1-0 после комбинированной обработки 229
6.2 Микротвердость и трибологические свойства наплавленных покрытий 238
6.3 Наплавка и эксплуатация покрытий в условиях производства 240
6.4 Выводы 245
Заключение 247
Список литературы
- Физические и технологические особенности обработки поверхности концентрированными потоками энергии
- Лабораторная электровзрывная установка ЭВУ 60/10 для получения импульсных многофазных плазменных струй и особенности методики проведения электровзрывного легирования
- Особенности градиента структуры по глубине зоны комбинированной обработки сплава ВТ6
- Анализ структурно-фазовых состояний сплава ВТ1-0 после электровзрывного науглероживания с порошковой навеской карбида кремния и последующей электронно-пучковой обработки
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Долговечность рабочих поверхностей металлов и сплавов, главным образом, определяется качеством их защиты от износа и коррозии. Большая их часть всего за два-три года теряют до 50 % своих функциональных свойств, что приводит к значительным материальным потерям.
Методы упрочнения поверхности включают в себя, с одной стороны, модифицирование (в том числе легирование) поверхностных слоев материала без изменения геометрических размеров детали, а с другой, – нанесение покрытия на поверхность детали, когда ее размеры изменяются на величину наносимого слоя покрытия. В первом случае изменяются или структура материала в поверхностном слое, или химический состав и распределение его по глубине слоя, или одновременно и то, и другое. Во втором случае главным фактором, определяющим упрочнение, является выбранный материал покрытия, отличающийся от основного материала изделия и обеспечивающий требуемые свойства поверхности.
В последние десятилетия получили приоритетное развитие новые высокоэффективные методы упрочняющей обработки, использующие концентрированные потоки энергии (КПЭ). Поверхностное легирование, напыление покрытий при обработке КПЭ и наплавка приводят к многократному повышению функциональных свойств, таких как твердость, износо-, жаростойкость и др. В Сибирском государственном индустриальном университете получили развитие электровзрывное легирование (ЭВЛ) и электронно-пучковая обработка (ЭПО) низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками. Это локальные методы упрочнения поверхности, которые могут оказаться экономически эффективными и найти практическое применение. Один из наиболее эффективных и экономичных методов защиты поверхности – это электродуговая наплавка, позволяющая обеспечить оптимальное соотношение свойств поверхности и объема материала. Она применяется не только для ремонта изношенных элементов конструкций, но и для придания особых свойств поверхностям новых изделий перед вводом их в эксплуатацию.
В связи со сложностью физических процессов при обработке поверхности с использованием ЭВЛ, ЭПО и электродуговой наплавки возможности этих методов продолжают изучаться. Это обусловливает актуальность проведения новых исследований их практического применения для повышения функциональных свойств в том или ином конкретном случае, а также дальнейших теоретических и экспериментальных исследований механизмов упрочнения поверхностных слоев.
Исследования по теме диссертации соответствуют направлению «Нанотехнологии и наноматериалы» Перечня критических технологий РФ и приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в РФ «Индустрия наносистем».
Степень разработанности темы исследования
С середины 80-х годов обработка поверхности металлов и сплавов КПЭ сформировалась в самостоятельное направление научных исследований и практических разработок. Ее основная особенность состоит в том, что поверхность нагревается до оплавления. Примерами источников КПЭ являются электрическая дуга, импульсные плазменные струи, лазерное и световое излучение, мощные электронные и ионные пучки. Их разнообразие обусловливает широкие возможности обработки. Они используются для поверхностной закалки, легирования, напыления покрытий и других целей. При этом даже если источники используются для одной цели, например, поверхностного легирования, они заметно отличаются друг от друга по параметрам и условиям обработки. Это позволяет получать различные структурно-фазовые состояния и, как следствие, различные функциональные свойства поверхности. В связи с этим в настоящее время интерес представляет дальнейшее развитие методов обработки КПЭ и выявление оптимальной области их использования.
В последние годы получили развитие импульсные плазменные методы легирования поверхности металлов и сплавов. Одним из перспективных и интенсивно развивающихся методов является ЭВЛ, в котором инструментом воздействия на поверхность являются импульсные плазменные струи. Они формируются при разряде емкостных накопителей энергии через проводники. В этом случае рабочее вещество ускорителя плазмы служит как для нагрева поверхностных слоев металлов, так и для их легирования.
Модифицирование структуры и свойств поверхностных слоев
материалов при ЭВЛ заключается в формировании из продуктов электриче
ского взрыва проводников импульсной многофазной плазменной струи,
оплавлении ею поверхности и насыщении расплава компонентами струи, по
следующей кристаллизации расплава в условиях самозакалки с образованием
упрочняющих фаз. При ЭВЛ в качестве взрываемого проводника может быть
использован любой электропроводный материал. В качестве легирующих до
бавок при ЭВЛ могут использоваться также порошки различных веществ, ко
торые вносятся в импульсную многофазную плазменную струю, формируе
мую из продуктов взрыва и служащую инструментом воздействия на обраба
тываемую поверхность. В результате обработка приводит к одновременному
многократному повышению различных физико-механических и
эксплуатационных свойств. Исследования показывают, что упрочнение обусловливается, прежде всего, мелкодисперсными включениями вторых фаз (карбидных, боридных и других), распределенными в вязкой металлической матрице. Состояние исследований в этой области характеризуется изучением особенностей тех процессов ЭВЛ (например, науглероживания и карбобори-рования модельных металлов и сплавов), которые уже успешно апробированы в условиях производства при использовании других аналогичных или традиционных методов.
Особенностями ЭВЛ являются его импульсный характер и неоднородность строения и структуры используемых для обработки поверхности плаз-
менных струй. Вследствие импульсного характера обработки в зоне легирования выявляются области, характеризующиеся концентрационными неодно-родностями (например, углерода или бора) и дефектами структуры (микротрещинами и микропорами). 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 поверхности развитый рельеф, что может ограничивать область практического использования ЭВЛ. Все это вызывает необходимость последующей модификации зоны обработки.
Практическое применение разрядно-импульсных технологий упрочнения поверхности металлов и сплавов в настоящее время сдерживается малой изученностью характерных для них взаимосвязанных процессов вблизи облучаемой поверхности, в оплавляемой зоне легирования и в зоне термического влияния. Это относится и к ЭВЛ, что ограничивает возможности управления обработкой и оптимизации формируемых свойств. В литературе мало систематизированных сведений о тепловых, силовых и гидродинамических процессах при ЭВЛ, влиянии структуры импульсных плазменных струй на результаты обработки, металлофизических аспектах этого метода поверхностного легирования. Мало экспериментальных данных имеется и по его практическому использованию. Это отражается на отставании в разработке специализированного оборудования с высоким уровнем механизации и автоматизации процесса обработки поверхности.
Одно из направлений развития исследований в области ЭВЛ, которое стало развиваться в последние годы, – это разработка комбинированного метода упрочнения поверхности, сочетающего ЭВЛ и последующую ЭПО зоны легирования.
Выявление закономерностей ЭВЛ, а также комбинированной обработки, включающей ЭВЛ и последующую ЭПО, вносит вклад в развитие теоретических представлений о поверхностном легирования с использованием КПЭ. 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.
Почти каждое промышленное предприятие в той или иной мере сталкивается с проблемой износа оборудования. В последние годы получили развитие научные исследования и практические разработки в области наплавки композиционных покрытий, упрочненных частицами карбидов, боридов и других высокотвердых и высокомодульных фаз. Такие покрытия эффективно работают в условиях сильного абразивного изнашивания и применяются в различных отраслях промышленности (строительной, металлургической, горнодобывающей и др.). В этом случае основными факторами, обеспечиваю-
щим упрочнение, является выбранный материал наплавляемого покрытия. Для обоснованного выбора материала покрытий, соответствующих условиям их эксплуатации, необходимо проведение подробных исследований их свойств и структуры.
Цель и задачи исследования
Целью настоящей работы является установление физической природы и выявление механизмов повышения эксплуатационных свойств сталей и сплавов при обработке поверхности импульсными плазменными струями, электронными пучками и электродуговой наплавке.
Для достижения цели решены следующие задачи:
- разработать способы формирования повышенных механических
свойств поверхностных слоев титановых сплавов ВТ1-0 и ВТ6 при ЭВЛ с по
рошковыми навесками и последующей ЭПО;
- исследовать рельеф поверхности после комбинированного воздей
ствия (ЭВЛ и последующей ЭПО) на сплавы при различных режимах;
исследовать градиент структурно-фазовых состояний и свойств (микротвердости, износостойкости) модифицированных слоев после ЭВЛ и последующей ЭПО на сплавы при различных режимах;
исследовать градиенты структурно-фазовых состояний и свойств покрытий (микротвердости, износостойкости), наплавленных на сталь электродуговым методом порошковыми проволоками различного химического состава;
провести сравнительный анализ механизмов формирования структурно-фазовых состояний, обеспечивающих повышенные прочностные и трибо-логические параметры покрытий на стали, сформированных при электродуговой наплавке;
внедрить результаты работы с получением экономического эффекта.
Научная новизна
Установлено, что на поверхности зоны обработки титановых сплавов ВТ1-0 и ВТ6 при электровзрывном науглероживании с порошковыми навесками различных веществ формируется покрытие, которое при последующей ЭПО объединяется с нижележащей зоной легирования, образуя единую зону упрочнения.
На поверхности зоны легирования наблюдаются следы течения расплава, микротрещины и поры. Последующая ЭПО приводит к уменьшению шероховатости поверхности, залечиванию микротрещин и пор, выравниванию содержания легирующих элементов как по поверхности зоны обработки, так и по ее глубине.
Зона упрочнения имеет двуслойное строение. Верхний слой имеет мелкодисперсное дендритное строение, а нижний – либо более грубое дендритное строение как в случае использования порошка диборида титана TiB2, либо равноосное строение как при использовании порошков карбида кремния SiC и оксида циркония ZrO2.
Установлено, что максимальное упрочнение как после ЭВЛ, так и после ЭПО достигается при использовании порошка TiB2, а наименьшее – при использовании порошка ZrO2. После ЭВЛ микротвердость имеет максимальный уровень на поверхности зоны легирования. Во всех режимах ЭПО зоны ЭВЛ микротвердость как на поверхности, так и ее средний уровень по объему зоны упрочнения уменьшается, а глубина зоны упрочнения увеличивается.
Распределение микротвердости по глубине зоны упрочнения после ЭПО имеет немонотонный характер: вблизи границ верхнего и нижнего слоя формируются максимумы микротвердости.
С ростом плотности энергии электронного пучка содержание -Ti в зоне упрочнения увеличивается, а упрочняющих фаз – уменьшается. Во всех случаях основной упрочняющей фазой является карбид титана TiC. Частицы упрочняющих фаз, а также титановые прослойки, разделяющие их, имеют в основном субмикро- и наноразмерный характер. Взаимодействие с расплавом частиц порошковых навесок приводит к образованию новых наноразмерных упрочняющих фаз.
Установлено влияние химического состава наплавленных покрытий на уровень их физико-механических свойств.
Выявлены структурно-фазовые состояния наплавленных покрытий, сформированных порошковыми проволоками различного химического состава.
Установлена природа высоких эксплуатационных свойств покрытий, обусловленная формированием субмикро- и наноразмерной структуры, содержащей карбиды, бориды, карбобориды и боросилициды железа, хрома и ниобия, образованием твердых растворов, закалочными эффектами и остаточными напряжениями.
Теоретическая и практическая значимость работы. Установлены режимы ЭВЛ титановых сплавов ВТ1-0 и ВТ6 и последующей обработки поверхности легирования низкоэнергетическими сильноточными импульсно-периодическими электронными пучками, обеспечивающие повышение износостойкости и микротвердости модифицированной поверхности, увеличение глубины зоны упрочнения и уменьшение параметра шероховатости поверхности.
Проведены фундаментальные исследования с использованием высокоинформативных методов современного физического материаловедения (электронной микроскопии и рентгеновского фазового анализа) структурно-фазовых состояний зоны легирования, сформированных новым методом обработки поверхности, включающим ЭВЛ и последующую ЭПО. Определены режимы, при которых ЭПО уменьшает шероховатость поверхности зоны легирования, стабилизирует ее структурно-фазовые состояния. Изучены распределения микротвердости по глубине модифицированных слоев технически чистого титана после комбинированной обработки. Таким образом, раскрыта физическая природа упрочнения.
Углублены знания о физических процессах формирования структуры и свойств покрытий, наплавленных с использованием порошковых проволок. Получены новые знания о строении, структуре и фазовом составе наплавленных покрытий. Изучены распределения микротвердости по их глубине. Испытания покрытий в условиях эксплуатации показали, что долговечность фу-теровочных пластин, защищающих ковши экскаваторов, после наплавки бро-нировочной сетки увеличилась в 1,5 раза.
Часть исследований выполнена в рамках грантов РФФИ «Разработка
физических основ комбинированной технологии обработки поверхности
сплавов на основе титана, сочетающей электровзрывное легирование и
высокоинтенсивное электронно-пучковое облучение» (проект 11-02-12091-
офи-м-2011), «Физическая природа формирования наноразмерных
структурно-фазовых состояний и свойств при электровзрывном легировании
и высокоэнергетической импульсной электронной обработке поверхности
титана» (проект 11-02-91150-ГФЕН_а) и Федеральной целевой программы
«Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–
2013 гг. (гос. контракт № 14.740.11.0813). Разработка и внедрение новых
технологических решений в области наплавки крупногабаритных деталей и
конструкций (таких как ковши экскаваторов, кузова самосвалов и др.) имеют
важное экономическое значение для горнодобывающих предприятий
Кузбасса. Данные исследования выполнены по госзаданию Минобрнауки
№ 2708 на выполнение НИР. В целом диссертация является развитием
традиционных работ, проводимых в научной школе СибГИУ «Прочность и
пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий».
Результаты работы используются аспирантами СибГИУ,
обучающимися по специальности 03.06.01 – физика и астрономия (направленность 01.04.07 – физика конденсированного состояния), апробированы и используются на горнодобывающих предприятиях промышленности г. Новокузнецка и Кемеровской области.
Методология и методы исследования
При выборе методов упрочнения исходили из того, что функциональные свойства поверхностных слоев упрочняемых сплавов определяются, прежде всего, особенностями их структуры и фазового состава, которые зависят от технологических особенностей используемых методов обработки и параметров воздействия на упрочняемую поверхность. Наибольшее упрочнение достигается 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.
Легирование поверхности осуществляли на электровзрывной установке ЭВУ 60/10, разработанной в СибГИУ. Электронно-пучковую обработку проводили на установке «Соло», разработанной в Институте сильноточной электроники Сибирского отделения РАН, изменяя плотность энергии пучка, дли-
тельность импульсов и их количество. 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.
Экспериментальные исследования модифицированных слоев и покрытий выполнены методами световой микроскопии, электронной сканирующей микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа, просвечивающей электронной микроскопии тонких фольг и реплик, рентгеноструктурного анализа. Прочностные свойства оценивали, определяя распределение микротвердости по глубине, трибологические свойства – путем определения фактора износа по объему удаленного материала, отнесенного к нормальной нагрузке на образец и путь трения.
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.
Экспериментальные исследования проводились с использованием оборудования кафедры естественнонаучных дисциплин им. проф. В. М. Финкеля и центра коллективного пользования «Материаловедение» при Сибирском государственном индустриальном университете.
Положения, выносимые на защиту:
-
технологические режимы обработки поверхностных слоёв сплавов ВТ1-0 и ВТ6, сочетающей электровзрывное науглероживание с порошковыми навесками диборида титана, карбида кремния и оксида циркония и последующую электронно-пучковую обработку, приводящие к кратному повышению микротвердости и износостойкости;
-
закономерности формирования структурно-фазовых состояний титановых сплавов ВТ1-0 и ВТ6 после различных видов ЭВЛ и последующей ЭПО, обусловленные залечиванием дефектов, выглаживанием рельефа поверхности обработки и формированием двухслойного строения зоны упрочнения;
-
механизмы упрочнения титановых сплавов ВТ1-0 и ВТ6, обусловливающие при комбинированной обработке кратное повышение механических свойств модифицированных поверхностных слоев;
-
закономерности формирования структурно-фазовых состояний электродуговых покрытий, наплавленных порошковыми проволоками EnDOtec DO*30, EnDOtec DO*33 и SK A 70-G с различным химическим составом;
5) механизмы упрочнения покрытий, обеспечивающие механические свойства, превышающие их значения в подложке в 2–3 раза.
Степень достоверности и апробация результатов
Достоверность полученных результатов обусловлена:
большим объемом экспериментальных данных, полученных с использованием современных методов физического материаловедения;
непротиворечивостью полученных результатов результатам других авторов;
соответствием их известным теоретическим представлениям физики прочности;
корреляцией результатов определения свойств покрытий с их долговечностью в условиях эксплуатации:
- эффективностью предложенных технологических решений, подтвер
жденных результатами промышленных испытаний и внедрением в производ
ство.
Результаты диссертации представлялись на следующих научных мероприятиях Всероссийского и международного уровня: Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество», Новокузнецк, 2011, 2012, 2015; XXI Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Магнитогорск, 2012; XX Петербургских чтениях по проблемам прочности, посвященных памяти профессора В. А. Лихачева, Санкт-Петербург, 2012; 53-й Международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности», Витебск, 2012; International Conference Nanomaterials and Properties, Alushta, 2012; VII Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов», Черноголовка, 2012; 3rd International Congress on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter, High Current Electronics and Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Tomsk, 2012; III Всероссийской молодежной конференции с элементами научной школы «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», Москва, 2012; Научных чтениях им. чл.-корр. РАН И. А. Одинга «Механические свойства современных конструкционных материалов», Москва, 2012, 2014; Четвертой ежегодной конференции Нанотехнологического общества России, Москва 2012; Первой Всероссийской научной конференции молодых ученых с международным участием «Перспективные материалы в технике и строительстве (ПМТС-2013)», Томск, 2013; V Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, 2013; II Международной заочной конференции «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве», Орск, 2013; 11-ой Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», Новосибирск, 2013; Четвертой международной конференции «От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологий к наноидустрии», Ижевск, 2013; XII Международном семинаре «Структурные основы модифицирования материалов
(МНТ-XII)», Обнинск, 2013; 10-й Международной конференции «Взаимодействие излучений с твердым телом», Минск, 2013; Международной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела», Минск, 2013; II Международной конференции «Влияние высокоэнергетических воздействий на структуру и свойства конструкционных материалов», Ольгинка, 2013; International seminar «External fields processing and treatment technology and preparation of nanostructure of metals and alloys», Шэнь Чжэнь, 2014; 16-й и 17-й Международной научно-практической конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика», Санкт-Петербург, 2014, 2015; XXII научно-практической конференции аспирантов, магистрантов и студентов «Физика конденсированного состояния», Гродно, 2014; 55-й Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», Харьков, 2014; Восьмой Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов» памяти академика Г. В. Курдюмова и первой Всероссийской молодежной школе «Структура и свойства перспективных материалов», Черноголовка, 2014; Бернштейновских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов, посвященных 95-летию со дня рождения проф. М. Л. Бернштейна, Москва, 2014; Международной конференции «Физическая мезомеханика многоуровневых систем – 2014. Моделирование, эксперимент, приложения», Томск, 2014; III Международной научной школе для молодежи «Материаловедение и металлофизика легких сплавов», Екатеринбург, 2014; Научном семинаре с международным участием, посвященном юбилею заслуженного профессора ТГАСУ Эдуарда Викторовича Козлова, Томск, 2014; International scientific conference of young scientists «Advanced Materials in Construction and Engineering», Томск, 2014; XIX Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», 2015, Самара; International workshop «Effect of external influences on the strength and plasticity of metals and alloys», Барнаул, 2015; Международном симпозиуме, посвященном 40-летию ИТА НАН Беларуси «Перспективные материалы и технологии», Витебск, 2015; Научной сессии НИЯУ МИФИ-2015, Москва, 2015; Всероссийской научной конференции с международным участием «II Байкальский материаловедческий форум», Улан-Уде, 2015; XXIII Уральской школе металловедов-термистов, посвященной 100-летию со дня рождения профессора А. А. Попова, Тольятти, 2016.
По материалам исследований опубликовано 90 работ. Основное содержание работы отражено в 28 статьях в журналах из перечня ВАК, в четырех монографиях и представлено в виде тезисов докладов и статей на 39-ти различных научных мероприятиях Всероссийского и международного уровня. Диссертация включает в себя введение, шесть глав, заключение и приложение, изложена на 287 страницах машинописного текста, содержит 151 рисунок и 14 таблиц, список литературы состоит из 211 наименований.
Физические и технологические особенности обработки поверхности концентрированными потоками энергии
Наиболее изученным в настоящее время методом поверхностного легирования является обработка с использованием лазерного излучения [1–7]. Однако после такой обработки в поверхностном слое формируется неблагоприятное распределение остаточных напряжений: под областью сжимающих напряжений расположена область с растягивающими остаточными напряжениями, что способствует зарождению и распространению трещин. Сложное распределение остаточных напряжений по толщине слоя, упрочненного лазерным лучом, и выход растя 20 гивающих напряжений на поверхность являются основными причинами снижения трещиностойкости, контактной выносливости, износостойкости и других характеристик конструкционной прочности изделий и, как следствие, препятствием для широкого применения лазерных технологий в промышленности. Для предотвращения образования растягивающих напряжений на поверхности предлагается повторно нагревать деталь, но такой способ приводит не только к снижению служебных характеристик поверхностного слоя, но и объема детали.
Дальнейшее развитие технологии поверхностного упрочнения металлов и сплавов в настоящее время связывают с разработкой комбинированных процессов, включающих, к примеру, термодиффузионное легирование поверхности детали с использованием лазерного излучения и последующее азотирование [5, 6]. Сочетание лазерной обработки и последующего азотирования позволяет не только устранить неблагоприятное распределение внутренних напряжений, но и значительно повысить поверхностную твердость деталей. Такая комбинированная технология упрочнения конструкционных сталей не снижает преимуществ лазерного упрочнения, а напротив, позволяет получить комплекс механических свойств, существенно превышающий уровень упрочнения, который достигается одной лазерной обработкой.
Успехи в области физики генерации высоких плотностей энергии привели к разработке электронно-пучковых технологий, обладающих большими по сравнению с лазерной обработкой возможностями. Это касается контроля количества подводимой энергии, возможностью создания большей площади воздействия на обрабатываемый материал, уменьшения коэффициента отражения энергии, повышения концентрации энергии в единице объема материала, а соответственно, возможностей перевода материала в сильнонеравновесное состояние [8–13]. По сравнению с мощными ионными пучками, которые также используются для модификации поверхности материалов, низкоэнергетические (меньше 30 кэВ) плотные электронные пучки генерируются в частотно-импульсном (10 Гц) режиме при меньших (на порядок величины) ускоряющих напряжениях и не требуют создания специальной радиационной защиты, так как сопутствующее рентгеновское излучение экранируется стенками рабочей вакуумной камеры. Высокая энергетическая эффективность, более высокая однородность плотности энергии по сечению потока, хорошая воспроизводимость импульсов и высокая частота их следования выгодно отличают импульсные электронные пучки также и от импульсных потоков низкотемпературной плазмы при потенциальном использовании тех и других в технологических целях. Таким образом, следует ожидать, что использование электронных пучков приведет к дальнейшему развитию комбинированных технологий упрочнения металлов и сплавов.
В последние годы получили развитие методы легирования поверхности металлов и сплавов [13–16] с использованием импульсных плазменных ускорителей, в которых происходит электрический пробой межэлектродного промежутка, ионизация рабочего вещества и последующее ускорение ионизованного газа (плазмы) под действием электромагнитных сил и газового давления в процессе электрического разряда. В импульсных плазменных ускорителях длительность разряда составляет от 1 до 100 мкс. Они используются, в частности, для генерации высокоскоростных плазменных потоков и модификации свойств поверхности материалов.
Одним из перспективных развиваемых в настоящее время методов обработки является электровзрывное легирование, в котором инструментом воздействия на поверхность являются импульсные плазменные струи, формируемые при разряде емкостных накопителей энергии через проводники. В этом случае рабочее вещество ускорителя плазмы служит как для нагрева поверхностных слоев металлов, так и для их легирования [17–19]. Основное преимущество ЭВЛ перед другими аналогичными способами обработки поверхности, использующими плазму взрывчатых веществ и магнитоплазменных компрессоров, состоит в том, что в качестве плазмообразующего вещества, используются любые электропроводные материалы – тонкие фольги металлов и сплавов, углеродные и другие волокна. Кроме того, в область взрыва могут быть помещены порошковые навески того или иного вещества. Они увлекаются формируемой струей и переносятся на облучаемую поверхность, обеспечивая возможность ее двух- и многокомпонентного легирования или формирования композиционных легированных слоев. За один импульс может быть обработано до 10 см2 площади поверхности. Плазменные струи электровзрывных источников могут быть использованы также для обработки внутренних цилиндрических поверхностей деталей. Среди преимуществ ЭВЛ следует назвать и то, что в едином технологическом цикле такая обработка позволяет провести оплавление поверхностных слоев металлов, их жидкофазное легирование продуктами взрыва проводников и порошковых навесок, предварительно размещаемых в области взрыва, с последующей самозакалкой. Для ее реализации могут быть использованы промышленные разрядно-импульсные установки, обладающие конструктивной простотой, высокой надежностью и сравнительно низкой стоимостью. Сдерживающим фактором для практического использования ЭВЛ является недостаточная изученность процессов, сопровождающих воздействие импульсных плазменных струй на поверхность металлов.
Лабораторная электровзрывная установка ЭВУ 60/10 для получения импульсных многофазных плазменных струй и особенности методики проведения электровзрывного легирования
Как отмечено выше, вневакуумная электронно-лучевая наплавка характеризуется большой скоростью обработки, простотой введения легирующих элементов, высоким качеством и дисперсностью структуры образуемых слоев, минимальным количеством микропор и трещин [161–166]. В [161] на стальные образцы предварительно напыляли плазменное порошковое покрытие из смеси металлических порошков с порошком карбида хрома, которое затем подвергали обработке. Образовавшаяся в наплавленном слое и зоне термического влияния структура характеризовалась мелкозернистым строением и отсутствием трещин и мик-ропор. Исследования показали уменьшение размера зерен в 3–4 раза и увеличение износостойкости в 1,5–2,0 раза по сравнению с традиционно используемой наплавкой. Впоследствии данная обработки использовалась для наплавки на стальные и медные доски кристаллизаторов в установках непрерывного разлива стали, проводились исследования по наплавке на алюминий, медь, низколегированные и нержавеющие стали, титановые сплавы.
При наплавке в пучке релятивистских электронов и последующей импульсной обработке низкоэнергетическим электронным пучком хромсодержащих покрытий на низкоуглеродистую сталь на поверхности стали образуется слой толщиной 1,5 мм, содержащий 23–25 % хрома [162]. Методом рентгеноструктурного анализа в слое выявляется -фаза. Средний размер зерен феррита в наплавленном покрытии составляет 13 мкм. Большая часть хрома, вводимого при наплавке, переходит в твердый раствор. Структура слоя состоит из зёрен твердого раствора и перитектики, располагающейся в виде прослоек по границам зёрен, а также низкими значениями твердости и износостойкости (среднее значение микротвердости составляет 1750 МПа, коэффициент износостойкости покрытия равен 1,4), которые незначительно превышают таковые в исходном металле и могут быть связаны с твердорастворным упрочнением.
В [163] проведены исследования эксперименты по наплавке в пучке релятивистских электронов (с энергией 1,4 МэВ) смесей порошков карбида хрома Cr3C2 и хрома в весовом соотношении 1:1 и 2:1 на низкоуглеродистую сталь Ст3. Установлено, что в результате обработки происходит дендритно-ячеистая кристаллизация покрытий толщиной 1–2 мм и образуется структура, состоящая из зерен аустенита и эвтектики, включающей карбиды Cr7C3 и Cr23C6. Твердость покрытий увеличивается с увеличением содержания порошка карбида хрома в исходной наплавочной смеси, а износостойкость покрытий увеличивается только в том случае, если содержание эвтектики в структуре не превышает 40 %.
После импульсной электронно-лучевой обработки поверхностного слоя покрытий, предварительно наплавленных в пучке электронов, образуется зона переплава толщиной 10–20 мкм. В этой зоне формируются ультрадисперсная нано-размерная структуры. Это связано с высокой скоростью охлаждения из жидкого состояния. От границы жидкого металла с находящейся в твердом состоянии подложкой растут столбчатые кристаллы, которые дорастают до поверхности образца. Кристаллы внутри имеют дендритное строение и состоят из пакетов одинаково ориентированных дендритных зерен. На лицевой поверхности покрытия наблюдаются верхушки проросших из расплава зерен дендритов. Из-за быстрого охлаждения расплава дендриты не развиваются до нужных размеров и не заполняют все пространство слоя – промежутки между дендритами остаются свободными, образуется система пор. Сечения дендритных зерен имеют округлую форму, оси второго порядка не успевают сформироваться – наблюдаются лишь бугорки на боковой поверхности главных осей. При рассмотрении фазового состава слоёв импульсной обработки, кроме железа, других фаз не выявлено.
В [165] исследованы структура, фазовый состав, твердость и износостойкость покрытий, наплавленных порошками тугоплавких соединений TiC, VC, SiC, TiB2, MoB, TiN и их смесей на титановые сплавы. Показано, что легирующие добавки полностью растворяются в наплавленном слое и при охлаждении кристаллизуются в виде новых соединений с образованием неравновесной заэвтектиче-ской или эвтектической структуры, состоящей из первичных кристаллов и эвтектики на основе карбидов, нитридов, боридов и силицидов титана. Микротвердость покрытий толщиной 1–2 мм возрастала более чем в два раза. Установлена зависи 57 мость между износостойкостью покрытий и объемной долей присутствующих в нем фазовых включений, то есть от их структурно-фазового состояния.
В [166] методом электронно-лучевой наплавки на ускорителе электронов порошковых смесей хрома с карбидом бора B4C в соотношении 3:1 при изменении параметров обработки получены износо- и коррозионностойкие покрытия на стали Ст3. Изучена природа формирования свойств этих покрытий. Показано, что наибольшей износостойкостью в условиях абразивного изнашивания о кварцевый песок обладают покрытия с заэвтектической структурой с выделениями первичных высокотвердых карбидных и карбоборидных фаз. По данным рентгенострук-турного анализа в покрытии присутствуют следующие фазы: -Fe, Cr23C6, Cr7C3, Fe3C, Fe2B, Cr23(C, B)6, Cr7(C, B)3, Fe3(C, B). При этом более высокой коррозионной стойкостью обладают покрытия с доэвтектической структурой, формирование которой достигается за счет увеличения количества хрома в твердом растворе.
Закономерности вакуумной электронно-лучевой наплавки рассмотрены в [167–170]. В [168] представлены результаты исследования структуры и свойств композиционных покрытий, полученных методом электронно-лучевой наплавки из смеси термореагирующих порошков системы FeB-FeTi. В результате обработки формируются композиционные металлокерамические покрытия на основе синтезируемых в процессе наплавки боридов титана (TiB, Ti3B4, TiB2) и боридов железа FeB2 с высокой абразивной износостойкостью и низкими значениями интенсивности изнашивания при сухом трении. Показана зависимость фазо- и структу-рообразования покрытий от гранулометрического состава исходных компонентов наплавляемой шихты. Исследованы абразивная износостойкость, коэффициенты трения и интенсивность изнашивания в парах трения. Показана взаимосвязь полученных характеристик со структурой и морфологическими особенностями структурных составляющих покрытий.
Особенности градиента структуры по глубине зоны комбинированной обработки сплава ВТ6
При облучении титана электронным пучком с плотностью энергии пучка электронов 45 Дж/см2 динамическая рекристаллизации сопровождается формированием зеренной структуры столбчатой морфологии. Увеличение плотности энергии пучка электронов до 60 Дж/см2 сопровождается повышением степени деформирования материала в области кратерообразования. Следовательно, процесс динамической рекристаллизации получает большее развитие и сопровождается формированием не только столбчатых зерен, но и зерен глобулярной морфологии.
Облучение поверхности ЭВЛ электронным пучком по режиму 60 Дж/см2, 200 мкс, 20 имп. сопровождается формированием сравнительно размерноодно-родной поликристаллической структуры, средний размер зерен которой 20 мкм (размеры зерен изменяются в пределах от 10 до 30 мкм) (рисунок 3.19, а). В объеме зерен выявляется, во-первых, пластинчатая структура (рисунок 3.19, б), во-вторых, структура ячеистой кристаллизации (размеры ячеек изменяются в пределах от 0,9 до 1,3 мкм) (рисунок 3.19, в), в-третьих, структура дендритной кристаллизации (рисунок 3.19, г). Разномасштабная зеренная структура, подобная структуре, представленной на рисунке 3.18, при данном режиме ЭПО не выявляется. Это может быть обусловлено сравнительно малым значением плотности теплового потока пучка электронов (3,0105 Вт/см2), реализуемым при этом режиме ЭПО.
Электронно-пучковая обработка поверхности ЭВЛ приводит к гомогенизации поверхностного слоя. Исследования элементного состава, выполненные при РСМА, не обнаружили областей, обогащенных кремнием и углеродом. Кремний, как и углерод, распределяется в поверхностном слое квазиоднородно, о чем свидетельствуют энергетические спектры, полученные с различных областей структуры материала (рисунок 3.20).
Таким образом, выполнены исследования морфологии и элементного состава поверхностного слоя сплава ВТ1-0 после электровзрывного науглероживания с карбидом кремния и последующей ЭПО, которые показали, что ЭПО позволяет гомогенизировать поверхностный слой и существенно снижать уровень его шероховатости.
Поверхность сплава ВТ1-0 после электровзрывного науглероживания с карбидом кремния и последующей ЭПО. Как отмечалось ранее, поверхность обработки после ЭВЛ характеризуется неоднородным распределением легирующих элементов. Выявлены участки, обогащенные атомами кремния (предположительно конгломераты частиц порошка карбида кремния, использованного для легирования) и участки, обогащенные атомами углерода (частиц УВ). Исследования поверхности легирования показывают, что последующая ЭПО приводит к кардинальным преобразованиям, как поверхности образца, так и приповерхностного слоя. В центральной части зоны воздействия пучка электронов исчезают наплы 97 вы, существенно уменьшается количество микротрещин, рельеф поверхности выглаживается (рисунок 3.21, а).
4 U, кэВ Рисунок 3.20 – Структура поверхности сплава ВТ1-0 после электровзрывного науглероживания с навеской порошка SiC и последующей электронно-пучковой обработки (а, в) и энергетические спектры (б, г), полученные с выделенных участков поверхности Негативным моментом ЭПО поверхности образцов сплава ВТ6 является формирование большого количества микрократеров (рисунок 3.21, б). С увеличением плотности энергии пучка электронов количество микрократеров существенно снижается и при исследовании образцов, обработанных электронным пучком с поверхностной плотностью энергии пучка 60 Дж/см2 микрократеры на поверхности облучения практически не обнаруживаются.
Электронно-микроскопическое изображение структуры поверхности титанового сплава ВТ6 после электровзрывного науглероживания с навеской порошка SiC и последующей электронно-пучковой обработки по режиму – 45 Дж/см2, 100 мкс, 10 имп., 0,3 с–1. Стрелками на (б) указаны микрократеры
Сравнивая структуру, формирующуюся в поверхностном слое сплава ВТ6, облученного электронными пучками с крайними энергиями пучка электронов (45 и 60 Дж/см2) можно выделить следующее. При облучении электронным пучком по режиму 45 Дж/см2, 100 мкс, 10 имп., 0,3 с–1 на обработанной поверхности отчетливо выявляется поликристаллическая структура, размер зерен которой изменяется в широких пределах от 0,4 до 10 мкм (рисунок 3.22, а, б). Основной объем поверхностного слоя занимают зерна, средний размер которых 3 мкм. Следует отметить, что средний размер зерен объема (т.е. средний размер зерен образцов перед модификацией) образцов технически чистого титана составлял 8 мкм. Зерна субмикронных размеров располагаются небольшими островками (рисунок 3.22, б), размер зерен изменяется, преимущественно, в пределах от 0,4 до 0,9 мкм (рисунок 3.22, в). Особенностью крупных зерен является наличие в их объеме ячеек высокоскоростной кристаллизации (рисунок .22, г).
Облучение поверхности электровзрывного легирования электронным пучком по режиму 60 Дж/см2, 100 мкс, 10 имп. 0,3 с–1 также сопровождается формированием двухуровневой зеренной структуры (рисунок 3.23, а). Зерна первого (крупномасштабного) уровня изменяются в пределах от 6 до 90 мкм, при среднем размере зерна 28 мкм (рисунок 3.23, б). Зерна второго масштабного уровня располагаются преимущественно областями различной формы и размеров, формируют протяженные прослойки (рисунок 3.23, в). Размеры таких зерен изменяются в пределах от 0,5 до 2,1 мкм при среднем размере 0,9 мкм (рисунок 3.23, г).
Электронно-микроскопическое изображение структурных элементов поверхности титанового сплава ВТ6 после электровзрывного науглероживания с карбидом кремния и последующей электронно-пучковой обработки по режиму 60 Дж/см2, 100 мкс, 10 имп., 0,3 с–1. Стрелками на (а) указаны области с зернами второго масштабного уровня
В зернах первого масштабного уровня выявляются, подобно структуре, формирующейся при обработке сплава ВТ6 электронным пучком по режиму 45 Дж/см2, 100 мкс, 10 имп., 0,3 с–1, ячейки высокоскоростной кристаллизации (рисунок 3.22, г). Размер ячеек изменяется в пределах от 300 до 400 нм. Отличительной структурной особенностью поверхностного слоя сплава ВТ6, обработанного электронным пучком по режиму 60 Дж/см2, 100 мкс, 10 имп., 0,3 с–1, является наличие областей со структурой дендритной кристаллизации (рисунок 9.24). Данный факт однозначно свидетельствует о снижении скорости кристаллизации титанового сплава ВТ6 при увеличении плотности энергии пучка электронов.
Анализ структурно-фазовых состояний сплава ВТ1-0 после электровзрывного науглероживания с порошковой навеской карбида кремния и последующей электронно-пучковой обработки
Электровзрывное науглероживание сплава ВТ6 с диборидом титана. На рисунке 3.43 приведено характерное изображение структуры поперечного шлифа образца сплава ВТ6, подвергнутого электровзрывному науглероживанию с навеской порошка диборида титана. Как и в других случаях выявляются зона легирования, переходный слой и зона термического влияния, плавно переходящая в основной объем материала. Анализируя микрофотографии, отметим высокий уро 120 вень шероховатости: толщина зоны легирования изменяется в пределах от 15 до 65 мкм (рисунок 3.43, а), толщина переходного слоя на границе с подложкой – от 3 до 5 мкм. Вторым заметным элементом зоны обработки являются микротрещины и микрократеры (рисунок 3.43, б, указаны стрелками). Причем микротрещины всегда наблюдаются в объеме зоны легирования (рисунок 3.43, слой 1) и никогда – в переходном слое (рисунок 3.43, слой 2). Детальные исследования структуры поперечных шлифов позволили выявить высокий уровень структурной неоднородности: участки зоны обработки с преимущественно глобулярной структурой (рисунок 3.40, а) и участки с дендритной структурой (рисунок 3.44, б).
Структуры поперечного шлифа сплава ВТ1-0 после электровзрывного науглероживания с диборидом титана (а, б) и соответствующие им энергетические спектры, полученные с обозначенных участков поверхности Последующая обработка поверхности зоны ЭВЛ высокоинтенсивным электронным пучком приводит к выравниванию ее толщины – она изменяется в пределах 20–50 мкм и немного уменьшается с ростом плотности энергии пучка электронов (рисунок 3.45). Плавление поверхностного слоя электронным пучком при 122 водит к практически полному исчезновению в нем частиц УВ, то есть способствует его гомогенизации.
Высокоскоростные нагрев, плавление и последующая кристаллизация, реализующиеся при ЭПО, приводят к формированию слоистой структуры, суще 123 ственным образом различающейся по морфологическим признакам. А именно, в поверхностном слое формируется структура преимущественно дендритного типа (что особенно ярко выражено при плотности энергии пучка электронов 60 Дж/см2); в промежуточном – дендритно-глобулярного типа; в переходном слое – зеренно-субзеренного типа (рисунок 3.46).
Электронно-микроскопическое изображение структуры поперечного сечения образца титанового сплава ВТ6 после электровзрывного науглероживания с навеской порошка диборида титана и последующей электронно-пучковой обработки по режиму: 45 Дж/см2, 100 мкс, 10 имп., 0,3 с–1 (а) и 60 Дж/см2, 100 мкс, 10 имп., 0,3 с–1 (б). На (а) стрелками выделена зона обработки
Электровзрывное науглероживание сплава ВТ6 с карбидом кремния. Характерное изображение структуры поперечных шлифов образцов сплава ВТ6 после электровзрывного науглероживания с навеской порошка карбида кремния приведено на рисунке 3.47. Отчетливо видны микротрещины и микрократеры (указаны стрелками). Анализ данного изображения хорошо согласуется с представленными выше результатами, свидетельствующими о высоком уровне шероховатости поверхности обработки. Детальные исследования структуры поперечных шлифов позволили выявить присутствие в объеме зоны обработки частиц УВ и порошковой навески (рисунок 3.48, а, б, частицы указаны светлыми стрелками), макро- и микропор, пустот (рисунок 3.48, а, указано темной стрелкой).
Еще одна особенность зоны обработки – высокий уровень структурной неоднородности: выявляются участки слоя с преимущественно глобулярной структурой (рисунок 3.48, а, б) и участки с дендритной структурой (рисунок 3.48, в, г). Импульсный характер обработки и высокие скорости последующего охлаждения приводят к формированию слоистой структуры. – поверхностный слой; 2 – промежуточный слой; 3 – переходный слой
Электронно-микроскопическое изображение структуры поперечного сечения образца титанового сплава ВТ6 после электровзрывного науглероживания с навеской порошка диборида титана и последующей электронно-пучковой обработке по режиму: 60 Дж/см2, 100 мкс, 10 имп., 0,3 с–1 126 –зона электровзрывного легирования; 2 – зона термического влияния Рисунок – 3.47 – Морфология поперечного сечения сплава ВТ6 после электровзрывного науглероживания с навеской порошка карбида кремния. Фигурными стрелками указана поверхность легирования; сплошными тонкими стрелками обозначены микротрещины; тонкими пунктирными стрелками указаны макро- и микропоры
В зоне обработки выявляются собственно зона легирования (слой 1), переходный слой (слой 2) и зона термического влияния (слой 3), плавно переходящая в основной объем материала (рисунок 3.48, в). Электронно-пучковая обработка приводит к снижению шероховатости поверхности и, как следствие, к выравниванию толщины зоны легирования (рисунок 3.49). Как следует из анализа изображения структуры, толщина зоны легирования изменяется в пределах 20–30 мкм и уменьшается с ростом плотности энергии пучка электронов.
Плавление зоны легирования не приводит к устранению элементной неоднородности, обусловленной присутствием в ней частиц УВ и порошковой навески (рисунок 3.49, частицы УВ указаны темными стрелками). Кроме этого, в зоне обработки в незначительном количестве выявляются микропоры и микротрещины (рисунок 3.49, микротрещина указана светлой тонкой стрелкой). Электронно-пучковая обработка независимо от режима приводит к формированию двуслойной структуры преимущественно глобулярного типа. При этом в поверхностном слое структура более грубая, чем в промежуточном (рисунок 3.50).
Светлыми стрелками обозначена поверхность обработки; тонкими темными стрелками – частицы углеродных волокон; тонкой светлой стрелкой – микротрещина; 1 –зона легирования; 2 – зона термического влияния Рисунок 3.49 – Электронно-микроскопическое изображение структуры поперечного сечения титанового сплава ВТ6 после электровзрывного науглероживания с карбидом кремния и последующей электронно-пучковой обработки по режиму: 60 Дж/см2, 100 мкс, 20 имп., 0,3 с–1 Методом рентгеноспектрального микроанализа установлено, что ЭПО приводит к полному устранению объемов, обогащенных кремнием. Относительное содержание кремния максимально в слое, расположенном у поверхности легирования ( 8 масс. %) и монотонно снижается до нуля по мере удаления от поверхности (рисунок 3.51, а).
Электровзрывное науглероживание сплава ВТ6 с порошковой навеской оксида циркония. Высокий уровень структурной неоднородности поверхности сплава ВТ6 после ЭВЛ отражается на состоянии объема зоны легирования – она также неоднородна по толщине, которая изменяется в пределах от 5 до 55 мкм (рисунок 3.52, а), содержанию частиц УВ и порошковой навески (рисунок 3.52, б), а также микропор и микротрещин (рисунок 3.52, в).