Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важнейших задач материаловедения и физики твёрдого тела является создание новых материалов и управление процессом формирования их структуры и свойств. Широкие возможности в этом направлении открываются в использовании современных методов модифицирования уже существующих материалов. Так методы модифицирования материалов с использованием концентрированных потоков энергии составляют одно из наиболее перспективных направлений современного материаловедения. Процесс взаимодействия концентрированных потоков энергии с металлами достаточно изучен. Но в современной теории не решены вопросы о влиянии структурной неоднородности материалов, особенно порошковых, на протекание механических, теплофизических и физико-химических процессов при взаимодействии с концентрированными потоками энергии. Научный и практический интерес представляет собой изучение влияния процессов растворения, перемешивания компонентов на формирование свойств материалов при воздействии на них лазерного или электронного пучков. Данные процессы в литературе описаны в основном на атомарном уровне, где основным механизмом перераспределения компонентов считается термокапиллярная конвекция и диффузия. Так как ванна расплава, образуемая при воздействии КПЭ на порошковые материалы, наряду с жидкой фазой содержит и нерасплавленные тугоплавкие частицы, то, возникает также вопрос о влиянии седиментации на процессы перераспределения, которые в большой степени определяют структуру и свойства формируемых покрытий. В этом направлении известно небольшое количество экспериментальных работ, поставленных в основном на модельных материалах.
Важным практическим интересом является замена дорогостоящих высококачественных материалов на более дешевые с
сохранением требуемых свойств. Проблема решается с помощью придания поверхностным слоям деталей из сталей различного целевого назначения необходимых свойств путем легирования соответствующими элементами или наплавки.
Существует несколько методов наплавки отличающихся по способам нагрева зоны обработки. При лазерной или электронно- лучевой обработки в результате «жесткого» термического цикла с большими скоростями нагрева и охлаждения характерным является образование перенасыщенных метастабиль-ных структур различной дисперсности, что недостижимо при обычной химико-термической обработке.
Использование в качестве основы порошковых материалов, в отличие от компактных, способствует расширению возможностей при формировании покрытий с необходимыми структурой, фазовым составом и свойствами. С другой стороны это вносит ряд особенностей в процесс формирования покрытий, знание которых необходимо для успешного выполнения поставленной задачи. Структура и свойства сформированных покрытий зависят от многих факторов, действие которых часто противоположно. Для прогнозирования получения необходимых структур и свойств формируемых покрытий необходимо знать и учитывать степень влияния каждого из них.
Использование -переходных металлов и их карбидов, обладающих комплексом свойств, позволяют формировать покрытия с повышенной износо и коррозионностойкостью. В литературе не систематизированы данные по структуре и свойствам покрытий, сформированных из переходных металлов под воздействием концентрированных потоков энергии, а также не рассмотрены особенности данного процесса, когда в качестве исходной системы служит прессованная порошковая смесь, а не компактный материал. Практически не изучены физические аспекты этой проблемы.
Цель работы. Целью настоящей работы является физическое моделирование процесса воздействия лазерного и элек-
тронного луча на структурно-неоднородные порошковые среды; исследование структуры, фазового состава, свойств сформированных покрытий на основе переходных металлов и их карбидов; разработка научно- обоснованных рекомендаций получения износо- и коррозионностоиких покрытий с помощью концентрированных потоков энергии.
Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи исследования:
1 физико- математическое моделирование процессов нагрева, плавления и кристаллизации покрытий на основе порошковых материалов при действии на них лазерного и электронного лучей;
физическое моделирование и экспериментальное исследование процессов растворения, перемешивания, кристаллизации, происходящие в ванне расплава при воздействии концентрированных потоков энергии (КПЭ) на структурно- неоднородные среды;
изучение влияния режимов обработки, состава исходной смеси, процентного содержания компонентов, размера частиц на процесс формирования покрытий на различных его стадиях;
разработка технологических режимов лазерного и электронно- лучевого воздействия для получения покрытий с заданными свойствами и структурами.
На защиту выносятся:
физическая модель процессов растворения, перемешивания и перераспределения компонентов в ванне расплава при формировании покрытий на основе порошковых материалов (Fe, Ni, Ті, W, TiC, WC) с помощью лазерного излучения, построенная по результатам комплекса экспериментов;
результаты экспериментальных данных по теплофи-зическим свойствам порошковых материалов, полученных по специально разработанной методике из-
мерения теплофизических постоянных прессованных порошковых тел с помощью импульсного лазера;
результаты расчётов режимов обработки по лазерному и электронно-лучевому формированию покрытий на основе порошковых материалов;
результаты изучения структуры, фазового состава, свойств покрытий на основе Fe- Ni- Cr- Q3C2 и Fe-Ni- Ті- TiC, сформированных с помощью электронного и лазерного лучей.
Научная новизна работы. Научная новизна работы состоит в том, что впервые на основе комплексных теоретических и экспериментальных исследований процесса формирования покрытий из прессованных порошковых материалов различного состава и концентрации компонентов смеси установлены зависимости их структуры и свойств от основных факторов и определены степени их влияния. Выявлена роль структурной неоднородности материала на распределение температурных полей при обработки концентрированными потоками энергии. Впервые разработана методика и поставлен эксперимент по изучению процессов перемешивания, растворения компонентов при действии лазерного луча на дисперсные системы из реальных (Fe, Ni, Ті, W, TiC, WC), а не модельных материалов, по результатам которого сделан вывод о влиянии седиментации на процесс перераспределения компонентов в образуемой ванне расплава.
Определены теплофизические постоянные пористых систем при различных концентрациях компонентов, температурах и степени прессования. Разработана оригинальная методика и изготовлен стенд по определению температуропроводности и теплоёмкости прессованных порошковых тел при различных температурах с использованием лазерного излучения.
Практическая значимость работы. Практическая значимость работы состоит в разработке рекомендаций по получению износо- и коррозионностойких покрытий с помощью кон-
центрированных потоков энергии. Установлены оптимальные процентные соотношения компонентов по формированию покрытий на основе переходных металлов и их карбидов с заданными свойствами, составом и структурой. Полученные результаты исследования по изменению твёрдости и гомогенности структуры по глубине, а также результаты расчётов температурных полей позволяют установить необходимую толщину формируемого покрытия с необходимыми свойствами при соответствующих технологических режимах обработки. Результаты, полученные в работе могут быть использованы для прогнозирования процессов нагрева, плавления, перемешивания и кристаллизации ванны расплава при интенсивном тепловом воздействии на структурно-неоднородные среды. Разработан и изготовлен специальный измерительный комплекс для определения те-плофизических параметров прессованных порошковых материалов с использованием импульсного лазерного излучения, позволяющий определить теплофизические постоянные используемых прессованных порошковых материалов в зависимости от состава, дисперсности, процентного содержания компонентов смеси и температуры. Предложенный метод является легко воспроизводимым и не дорогостоящим.
При исследовании свойств, структуры и физико- механических характеристик покрытий использовались современные методы: рентгеновский фазовый анализ, микрорентгеноспек-тральный анализ, металлография, измерение микротвёрдости. Расчёты температурных полей при воздействии КПЭ были выполнены на персональном компьютере PC IBM.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении и приборостроении» (Пенза, 1996), научной конференции СГПУ (Самара, 1997); IV- Межгосударственном семинаре «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (Обнинск, 1997); VIII Молодёжной конференции ПС ТОХТ РАН
«Технологические процессы с твёрдой фазой» (Москва, 1997); VI Международной научно-практической конференции «Генная инженерия в сплавах» (Самара, 1998).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и библиографического списка из 147 наименований. Она содержит 165 страниц машинописного текста, 60 рисунков, 19 таблиц.
Похожие диссертации на Изучение структуры и свойств покрытий на основе переходных металлов и их карбидов, полученных с помощью концентрированных потоков энергии
