Соболев В.В., Шиман Л.Н. Высокоэнергетическая обработка материалов. Сборник научных трудов

Подождите немного. Документ загружается.

Высокоэнергетическая обработка материалов

. Наряду с традиционными, однослойными металлическим, двухслой-

ными металл-керамика разработаны три варианта трехслойных теплозащит-

ных покрытий, схемы которых приведены на рис. 1.

Внешний керамический слой

со столбчатой

структурой

тип «зигзаг»

тип «зигзаг» с элементами

«саморегулирования»

Промежуточный жаростойкий слой

дисперсно-упрочненного или микрослойного типа

Внутренний металлический демпфирующий слой

Основа

а б в

Рис. 1. Варианты трехслойных теплозащитных покрытий: а – внутрен-

ний металлический (демпфирующий) сплав MeCrAlY, MeCrAlYHfSiZr с

промежуточным композитом MeCrAlY-MeО, MeCrAlYHfSiZr–MeО (где MeО

– Al

ZrO

–Y

) дисперсно-упрочненного или микрослойного типа и

внешним керамическим (ZrO

–Y

) слоями [11]; б – вариант отличается от

(а) тем, что внешний керамический слой выполнен в виде "зигзаг"; в – во

внешний керамический слой (ZrO

–Y

), выполненный в виде "зигзаг", вве-

дены частицы тугоплавких соединений.

Наиболее интересным является третий вариант покрытия (рис. 1,в). В

процессе эксплуатации изделий с таким покрытием, при возникновении мик-

ротрещин во внешнем керамическом слое, частицы тугоплавких соединений

окисляясь, образуют соответствующие оксиды, которые залечивают возник-

шие микротрещины. Таким образом, подобное покрытие обладает эффектом

"самозалечивания" или "самовосстановления".

Для реализации технологических процессов осаждения теплозащитных

покрытий создано три типа промышленного электронно-лучевого оборудова-

ния [5,6]. Последняя установка – универсальная промышленная электронно-

лучевая установка для нанесения защитных металлических теплозащитных

композиционных, износостойких покрытий на изделия. Схема установки при-

ведена на рис. 2. Установка представляет собой блок вакуумных камер с меха-

низмами,

устройствами и системами, обеспечивающими проведение техноло-

гического процесса нанесения покрытий на различные изделия. Снизу рабочей

Высокоэнергетическая обработка материалов

камеры прикреплен блок для испарения металлов, сплавов, керамики, метал-

лоподобных соединений, в состав которого входят четыре медных водо-

охлаждаемых тигля и четыре механизма подачи испаряемых слитков.

Рис. 2. Электронно-лучевая установка для нанесения защитных покры-

тий: 1 – камера технологическая для нанесения покрытий; 2 – камера шлюзовая

мощностью 400 кВт; 3 – электронная пушка (ускоряющее напряжение 25 кВ);

4 – кассета (максимальный размер испаряемых слитков: Ø70 мм, длина 500 мм);

5 – механизм подачи кассеты; 6 – механизм подачи слитка (размеры покрывае-

мых лопаток: Ø250 мм, длина 500 мм); 7 – тигель (грузоподъёмность штока по-

дачи кассеты 50 кг); 8 – смотровая система; 9 – заслонка; 10 – вакуумная систе-

ма (расход охлаждающей воды 15 м

/ч при 15-20

С); 11 – площадка обслужива-

ния (площадь, занимаемая установкой 140 м

); 12 – пульт управления

Четыре электронно-лучевых нагревателя с холодным катодом [9] для

испарения исходных материалов установлены таким образом, что каждый

нагреватель может испарять материал из соседнего тигля. Такая необходи-

мость может возникнуть при изменении расположения или количество тиг-

лей или требований технологического процесса. Использование электронно-

Высокоэнергетическая обработка материалов

лучевых нагревателей с холодным катодом способных стабильно работать,

начиная с вакуума 10 Па в течение 250 ч, обеспечивает напуск кислорода в

паровое облако из ZrO

–Y

, и получение внешнего керамического слоя те-

плозащитного покрытия стехиометрического состава.

Для нагрева покрываемых изделий служат такие же две электронные

пушки, установленные сверху технологической камеры. Две шлюзовые каме-

ры предназначены для перегрузки покрываемых изделий. Разобщение объемов

камер проводится двумя вакуумными затворами. В шлюзовых камерах преду-

смотрены устройства ионной очистки изделий перед

нанесением покрытий.

Наличие двух вспомогательных камер обеспечивает непрерывный цикл нане-

сения покрытия, так как нанесение покрытий на изделия, подаваемые пооче-

редно из шлюзовых камер происходит без разгерметизации рабочей камеры.

В конструкции установки, рис. 2, впервые использованы источники пи-

тания для каждого электронного нагревателя с ускоряющим напряжением

30 кВ. Это обеспечивает постоянный уровень

ускоряющего напряжения и ста-

бильность электронного пучка во время ведения технологического процесса.

Система управления установки осуществляет:

- контроль технического состояния всех систем установки;

- автоматическую подготовку установки к выполнению технологиче-

ского процесса;

- управление с пульта оператора узлами установки при проведении

процесса;

- сбор, обработку, отображение в реальном масштабе времени и хране-

ние

технологических параметров и циклограммы процесса.

Применение одного из трех типов промышленного электронно-

лучевого оборудования для осаждения покрытий определяется конкретными

технологическими задачами. Для их решения создан замкнутый цикл осаж-

дения покрытий, включающий выплавку всех типов слитков на никелевой,

кобальтовой и железной основах в соответствии с ТУ У 27.4-20113410-001-

2001, использование пластин керамики ТУ

У 13.2-20113410-004-2003.

Композиционные материалы для электрических контактов и обо-

рудование для их получения

Разработка конденсированных из паровой фазы, композиционных ма-

териалов для электрических контактов, не содержащих благородных метал-

лов, осуществляется в трех направлениях: 1 – композиционные материалы

Высокоэнергетическая обработка материалов

для разрывных контактов; 2 – материалы для скользящих контактов; 3 – ма-

териалы для контактов вакуумных выключателей.

Важным научным достижением является разработка теории формирова-

ния микрослойных материалов, в том числе и для электрических контактов с

толщиной чередующихся слоев меньше 0,5 мкм, при температуре, превы-

шающей 0,3 Т

пл

(Т

пл

– температура плавления) наиболее легкоплавкого из ис-

паряемых материалов. Как известно [13], до последнего времени подобные

материалы получали методом электронно-лучевого испарения с последующей

конденсацией металлов и неметаллов в вакууме при температуре подложки не

выше 300°С. На базе данных исследований впервые в мировой практике раз-

работана промышленная электронно-лучевая технология получения, толстых

(1-5 мм) микрослойных материалов (Cu-Zr-Y) Mo для разрывных контактов

[14-16]. Новые композиты, получившие название "Материалы дисперсно-

упрочненные для электрических контактов" (МДК), сертифицированы и вы-

пускаются согласно техническим условиям ТУУ 20113410.001-98. Основное

достоинство материалов МДК – отсутствие в их составе серебра, поэтому они

в 2,5-3 раза дешевле по сравнению с порошковыми электроконтактами, а по

эксплуатационной надежности превосходят их

в 1,5-2 раза.

Одновременно с промышленным внедрением материалов для разрывных

контактов совместно с Институтом проблем материаловедения АН Украины и

Вроцлавским политехническим институтом (республика Польша) ведутся рабо-

ты по созданию материалов на основе меди, хрома, вольфрама, углерода для

скользящих контактов [17] и контактов дугогасительных камер [18-20].

Освоена технология получения путем испарения и последующей кон-

денсации в вакууме мишеней из хрома для магнетронного распыления, рис. 3.

Электронно-лучевая технология получения композиционных порошков

Проведены исследовательские работы по получению металлических,

керамических и композиционных порошков. Процессы испарения и конден-

сации в вакууме позволяют получать практически любые типы порошков

размером от 0,3 до 1,2 мкм с производительностью до 15 кг порошка в час.

соответствии с техническим процессом конденсация парового потока

осуществляется на охлаждаемую вращающую подложку. С помощью специ-

ального скребка порошок снимается с подложки и по специальному лотку

перемещается во вспомогательную камеру, где размещена специальная ем-

кость для приемки порошка. После заполнения емкость вакуумируется. По-

рошок в емкости извлекается и передается для дальнейшего

использования.

Высокоэнергетическая обработка материалов

Рис. 3. Внешний вид мишеней

Литература

1. Мовчан Б.А., Малашенко И.С. Жаростойкие покрытия осаждаемые

в вакууме. – Киев: Наук. думка, 1983. – 230 с.

2. Зуев И.В. Обработка материалов концентрированными потоками

энергии. – М.: МЭИ, 1998. – 162 с.

3. Мовчан Б.А., Тихоновский А.Л., Курапов Ю.А. Электронно-лучевая

плавка металлов и сплавов –

Киев: Наук. думка, 1973. – 230 с.

4. Современное состояние и перспективы состояния теплозащитных

покрытий для лопаток газотурбинных установок и оборудование для их на-

несения / Н.И. Гречанюк, П.П. Кучеренко, В.А. Осокин, П.А. Шпак // Новини

енергетики. – 1996. – №1. – С. 7–14.

5. Гречанюк Н.И., Осокин В.А., Гречанюк И.Н. Новые композицион-

ные

материалы для электрических контактов и способ их получения // Рынок

металлов. – 1999. – № 4. – С. 58–60.

6. Pat. US 6, 923, 868 BZ. Installation for electron-ray coatication of coat-

ings / I.M.Grechanyk. P.P.Kucherenko /. – Publ. 02.08.2005.

7. Пат. 2265078 РФ. Установка для электронно-лучевого нанесения

покрытий / Н.И. Гречанюк, П.П. Кучеренко /. – Опубл. 12.27.2005.

8. Патент України № 40664. Електронна гармата з лінійним термока-

тодом для електронно-променевого нагрівання. / М.І. Гречанюк, П.П.

Куче-

ренко, Є.Л. Піюк /. – Опубл. № 7. – 2001.

Высокоэнергетическая обработка материалов

9. Application of Glon Discharge Electron Guns for Plasma Activated

Deposition of Coatings / S.V. Denbnovetskiy, V.G. Melnik, I.V. Melnik, B.A. Ty-

gay / Електротехника и електронника. – 2006. – №5-6. – С. 115–118.

10. Залкин А.С. Источники паров металлов для научных исследований

и технологий. – Новосибирск: Институт теплофизики РАН, 1992. – 75 с.

11. Патент Украины № 42052. Защитное покрытие для лопаток газовых

турбин. / Н.И. Гречанюк, П.П. Кучеренко, В.А. Осокин, И.Б. Афанасьев,

С.С. Белик

, В.А. Акрымов, И.Н. Гречанюк /. – Опуб. Бюл. изобр. № 9. – 2001.

12. Патент 2271404 РФ. Способ получения микрослойных термоста-

бильных материалов. / Н.И.Гречанюк /. – Опубл. 03.10.2006.

13. Иявинский А.И. Структура и прочность слоистых и дисперсно-

упрочненных пленок. – М: Металлургия, 1986. – 140 с.

14. Патент Украины 34875. Композиционный материал для электриче-

ских контактов / Н.И. Гречанюк,

В.А. Осокин, И.Б. Афанасьев /. – Опубл.

Бюл. изобр. № 2. – 2001.

15. Composite materials on base of copper and molybdenum, condensed

from vapor phase, for electric contacts / N.I. Grechanyk, V.A. Osokin, I.N. Gre-

chanyk, R.V. Vinakova // Structure, properties, technology. Part 1. State – of – the

art and prospects of application of technology of electron beam high-rate evapora-

tion-condensation for producing materials of electric contacts. Advances in Elec-

trometallurgy. – 2005. – № 2. – P. 24-29.

16. Composite materials on base of copper and molybdenum, condensed from

vapor phase, for electric contacts / N.I. Grechanyk, V.A. Osokin, I.N. Grechanyk et

al. // Structure, properties, technology. Part 2. Fundamentals of electron beam tech-

nology for producing materials for electric contacts. – 2006. – №1. – P. 27–33.

17. Performance of sliding contacts with Cu-Mo layers for transportation in

mining industry / B. Miedzinski, Z. Okraszcwsky, N. Grechanyk, J. Wandzio //

Электрические контакты и электроды. Сборник трудов ИПМ НАНУ/ Киев,

2008. – C. 150-155.

18. Патент Украины № 32368А. Контактный материал для дугогаси-

тельных камер и способ

его получения / Н.И. Гречанюк, Н.И. Плащенко,

В.А. Осокин, И.Б. Афанасьев, И.Н. Гречанюк / Опубл. 15.12.2000. Бюл.

изобр. № 7–11.

Высокоэнергетическая обработка материалов

19. Патент Украины № 76737. Контактная система вакуумной дугога-

сительной камеры / Н.И. Гречанюк, Н.Н. Плащенко, А.В. Зварич, В.А. Осо-

кин /. Опуб. Бюл. изобр. № 9. – 2006.

20. Решение № а 200703343 о выдачи Патента Украины от 29.11.2008.

Композиционный материал для электрических контактов и электродов /

Н.И. Гречанюк, И.Н. Гречанюк, В

.А. Денисенко, В.Г. Гречанюк.

21. Шпак П.А., Гречанюк В.Г., Осокин В.А. Влияние электронно-

лучевого переплава на структуру и свойства быстрорежущей стали Р6М5 /

Проблемы спец. электрометаллургии. – 2002 – № 3 – С. 14–17.

22. Патент Украины 37658. Способ изготовления заготовок для инстру-

мента из быстрорежущей стали /. Н.И. Гречанюк, И.Б. Афанасьев,

П.А. Шпак. – Опубл. Бюл. изобр. № 7. – 2003.

23. Савенко В.А., Гречанюк Н.И., Чураков О.В. Электронно-лучевое

рафинирование в производстве платины и сплавов на ее основе. Сообщение

1. Электронно-лучевое рафинирование платины / Современная электроме-

таллургия. –2008. – № 1. – С. 16-18.

24. Савенко В.А., Гречанюк Н.И., Чураков О.В. Электронно-лучевое

рафинирование платины и сплавов на ее основе. Сообщение 2. Электронно-

лучевое рафинирование сплавов на основе платины / Современная электро-

металлургия. – 2008. – № 3. – С. 38-41.

25. Басин А.С., Шишкин А.В. Получение кремниевых пластин для сол-

нечной энергетики. – Новосибирск: РАН, 2000. – 390 с.

26. Rohatgi A., Weber E.R., Kimerling L.C. Opportunities in Silicon photo-

voltaics and defect control in photovoltaic materials / J. Electron. Mater. – 1993 –

Vol. 22, № 1. – Р. 65-72.

27. Photo-Voltaic power generation / A. Shan, T. Meier, R. Tsharner,

N. Wyrsch / Plasma phys. and Controlled Fusion. – 1992 – Vol 34. № 13. –

Р. 1837-1844.

28. Eyer A., Kauber A., Goetzberger A. Silicon sheet materials for solar cells

/ Optoelectronics Devices and Techol. – 1990. – Vol. 5,

№ 2. – Р. 239-257.

29. Surek T. NREL PV prodram overview // National Renewable Energy

laboratory. – Golden, Colorado (USA), 1955. – 15 p.

30. Grechanyk N.I., Kucherenko P.P., Grechanyk I.N. New electron beam

equipment and technologies of producing advanced materials and coatings / Hatton

Welding Journal. – 2007. – №2-3. – Р. 25–29.

Высокоэнергетическая обработка материалов

31. Вопросы атомной науки и техники / В.М. Ажажа, А.П. Мухачев и

др. // Электронно-лучевая плавка титана, циркония и гафния. – 2002. – №6. –

С. 95-99.

32. Электронно-лучевая плавка в литейном производстве / Под ред. Ла-

дохина С.В. – К.: Сталь, 2007. – 486 с.

33. Мухачев А.П. Металлический гафний ядерной чистоты: Автореф.

дис. … канд.

физ.-мат. наук: 21.10.01 / Харьковский физико-технический ин-

ститут ННЦ НАН Украины. – Харьков, 2001. – 25 с.

УДК 621.785:535.211:669.15-194:669.017

ЛАЗЕРНОЕ ПЛАВЛЕНИЕ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ И СТАЛЬНОЙ МАТРИЦЫ

С.И. Губенко, М.В. Иськов

Национальная металлургическая академия Украины,

пр. Гагарина,4, г. Днепропетровск-5, 49600

sgubenko@email.dp.ua

Исследован механизм плавления и кристаллизации неметаллических включений в кон-

такте с матрицей сталей при лазерном воздействии. Показано, что лазерное воздействие

представляет собой способ локального изменения структуры включений в поверхностных

оплавленных слоях, а также свойств поверхности неметаллических включений.

Mechanism of melting and crystallization of non-metallic inclusions in contact with steel matrix

during laser treatment was investigated. It was shown that laser action is the method of local change

of inclusion structure in surface fusioned layers and also of properties of non-metallic surface.

В последние годы появилось большое количество работ по изучению

структуры и свойств, а также механизма упрочнения сталей, подвергаемых ла-

зерному воздействию. Кроме того, исследовано поведение неметаллических

включений при лазерной обработке сталей и их влияние на структуру упроч-

ненного слоя [1,2]. Установлено, что поведение включений определяется их

типом. Несмотря на кратковременное воздействие, энергия

лазерного луча

оказалась достаточной для оплавления тугоплавких включений и расплавле-

ния легкоплавких, а также для развития процессов массопереноса, заключаю-

Высокоэнергетическая обработка материалов

щихся в обогащении окружающей матрицы элементами, входящими в состав

включений и перехода элементов матрицы в поверхностную зону включений.

При анализе результатов исследований учитывались особенности ла-

зерной обработки: значительная энергию импульса; высокая удельная мощ-

ность излучения; кратковременность воздействия; большие скорости нагрева

и охлаждения, приводящие к протеканию структурных и фазовых превраще-

ний

в стальной матрице и неметаллических включениях с очень высокой

скоростью. В имеющейся литературе пока не произведены строгие количест-

венные расчеты теплового, концентрационного и упругого полей, которые

позволили бы выяснить, каково распределение температуры, концентрации

компонентов, напряжений и деформаций, обусловленные спецификой воз-

действия луча лазера. В силу неоднородности излучения по сечению темпе-

ратурное

поле в зоне облучения неоднородно. Кроме того, следует учитывать

влияние включений на распределение температуры, поскольку они имеют

большую поглощательную способность, чем матрица стали [3], а также раз-

личную теплопроводность включений и матрицы, что усугубляет темпера-

турную неоднородность.

Известно, что воздействие луча лазера подобно взрыву. В ударных

волнах развиваются огромные давления [3], приводящие

к пластической ре-

лаксации и своеобразному механизму массопереноса, которые проявляют се-

бя за крайне малое время ударного сжатия.

В настоящих исследованиях наблюдали все описанные выше процессы

вблизи неметаллических включений, однако, представляет интерес изучить

особенности плавления и кристаллизации неметаллических включений и

стальной матрицы в момент лазерного воздействия, что необходимо для изу-

чения

строения зоны взаимодействия включений и матрицы после ЛТО, что-

бы установить закономерности трансформации межфазных границ включе-

ние-матрица при лазерном воздействии и получения этих границ с особой

организацией структуры, а также определения возможности создания усло-

вий, обеспечивающих процессы самоорганизации в межфазных границах пу-

тем эффективного обмена энергией и веществом (химическими

элементами)

между включениями и стальной матрицей в пределах границ их раздела. Це-

лью данной работы было изучение процессов растворения, плавления, заро-

ждения и роста неметаллических включений в условиях гипернеравновесно-

сти, что в дальнейшем позволит оценить структурные особенности транс-

Высокоэнергетическая обработка материалов

формации и процесса упрочнения межфазных границ включение-матрица

при сверхбыстрой закалке из жидкого и твердого состояния и даст возмож-

ность интенсифицировать процессы лазерного упрочнения сталей.

Материалы и методики исследований. Для изучения процессов кон-

тактного плавления и кристаллизации системы включение-матрица сталей

при лазерной обработке образцы сталей 60Г, НБ-57, 08кп, 08Х, 08

Т, ЭЗ, 08Ю

с предварительно полированной поверхностью подвергали лазерному облу-

чению на установках ГОС-30М и КВАНТ-16 при энергии импульса 10, 18, 25

и 30 Дж. Скорость нагрева составляла 10

°С/с, время воздействия импульса –

(1.0, 2.5, 3.6, 4.2 и 6.0)⋅10

-3

с, скорость охлаждения – 10

°С/с. При лазерном

воздействии на образец происходит тепловое травление поверхности шлифа,

что позволяет исследовать структурные изменения в локальных участках

вблизи включений. Идентификацию включений до и после лазерной обра-

ботки производили металлографическим методом, наблюдая их в светлом и

темном поле, а также в поляризованном свете, микрорентгеноспектральным

и петрографическим методами [1-3]. После

лазерной обработки разрывные

образцы подвергали растяжению на установке ИМАШ-5С, как было сказано

выше, для изучения особенностей поведения границ включение-матрица при

пластической деформации.

Результаты исследований и их обсуждение

Под действием лазерного излучения исходная структура границ вклю-

чение-матрица переходит в неравновесное высокоэнергетическое состояние,

что вызывает развитие диссипативных процессов, связанных со стремлением

системы включение-матрица к состоянию с минимумом свободной энергии.

В результате система включение-матрица переходит к состоянию неустойчи-

вого равновесия, которое определяет структуру

и свойства лазерно-

закаленной межфазной границы.

Большую роль в трансформации границ включение-матрица при лазер-

ном воздействии играют процессы плавления, оплавления и растворения не-

металлических включений, а также плавление стальной матрицы. Вероят-

ность растворения, оплавления и расплавления включений зависит от их ти-

па. Растворение включений в момент лазерного воздействия может

не сопро-

вождаться либо сопровождаться их плавлением, матрица в контакте с вклю-

чениями плавится либо остается твердой, что связано с неоднородностью