НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ МЕТАЛОФІЗИКИ ім. Г. В. КУРДЮМОВА

СЕМИРГА Олександр Михайлович

УДК 620.178.3.16:621.9.048

ЗАКОНОМІРНОСТІ ФОРМУВАННЯ СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО СТАНУ ПОКРИТТІВ ТА ПРИПОВЕРХНЕВИХ ШАРІВ СПЛАВІВ НА ОСНОВІ ЗАЛІЗА І ТИТАНУ ПРИ КОМБІНОВАНІЙ ІМПУЛЬСНІЙ ОБРОБЦІ

Спеціальність 05.16.01 – металознавство та термічна обробка металів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України.

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, професор
Данільченко Віталій Юхимович,

Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, завідувач відділом індукованих мартенситних перетворень.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Шипицин Сергій Якович, Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, завідувач відділом дисперсійного зміцнення сплавів;

доктор технічних наук, професор Макогон Юрій Миколайович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри фізики металів.

Провідна установа:

Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України.

Захист відбудеться “31 ” березня 2004 р. о 14 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.168.01 при Інституті металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України за адресою бульв. Академіка Вернадського, 36, Київ-142, 03680, Україна.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України

Автореферат розіслано “23“ лютого 2004 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор фізико-математичних наук В. К. Піщак

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Поліпшення фізико-механічних властивостей металевих матеріалів можна забезпечити шляхом зміни їх у приповерхневих шарах в бажаному напрямку або ж нанесенням спеціальних покриттів без зміни характеристик об’єму. Подальший розвиток цих методів обробки і суттєве підвищення їх ефективності пов’язано із цілеспрямованою зміною хімічного складу і структурно-фазового стану покриттів і приповерхневих шарів зміцнюваних матеріалів.

Розробка фізичних і технологічних основ інтенсивної термічної обробки за допомогою концентрованих потоків енергії може бути здійснена тільки на основі використання фундаментальних закономірностей формування фазового і структурно-напруженого стану як власне покриття, так і приповерхневих шарів підкладки. Особливий інтерес викликають дослідження закономірностей структуроутворення в матеріалах, які внаслідок імпульсних навантажень, градієнтів температур, високих швидкостей нагріву і наступного охолодження перебувають у вкрай нерівноважному стані. У цих умовах процеси протікають значно активніше, ніж при звичайній термічній обробці і призводять до формування особливого гетерофазного і високонапруженого стану. Закономірності структурних перетворень в нерівноважних умовах імпульсної, наприклад лазерної чи електроіскрової обробки (ЛО і ЕІО відповідно), залишилися недостатньо вивченими. Така ситуація ускладнює визначення зв’язку між технологічними параметрами імпульсної обробки і комплексом фізико-механічних характеристик локальних ділянок оброблених сплавів та все ще не дозволяє побудувати повну картину їх структуроутворення. Саме це виявилося гальмом для подальшого розвитку фізичних і технологічних основ інтенсивної термічної обробки метастабільних сплавів.

При комбінованій поверхневій обробці сплавів у формуванні структурно-фазового стану і комплексу властивостей може брати участь одночасно кілька чинників з різною фізичною природою. У деяких випадках може підводитись енергія різного виду (механічна, електрична, магнітна і т. д.). Завдяки цьому з’являється можливість керування явищами, що протікають у металах і сплавах у процесі зовнішнього впливу, - плавленням і випаровуванням, гідродинамікою оплавленого шару, термопластичною деформацією, формуванням магнітної доменної структури та ін. Це може бути використано для інтенсифікації теплофізичних і хіміко-термічних процесів, диспергізації приповерхневих шарів, керування утворенням або розпадом пересичених твердих розчинів, зміною мікро- і макрорельєфу поверхні. Інтенсифікація взаємодії з елементами газового чи рідкого середовища може суттєво підвищити засвоєння цих елементів, наприклад азоту, вуглецю або кисню із атмосферного повітря, і формування додаткових фазових складових зміцнюючого характеру. У деяких випадках, очевидно, можна чекати надсумарний ефект від одночасного застосування різних фізичних впливів, що виражатиметься, зокрема, у формуванні структурно-фазового стану, суттєво відмінного від стану, що досягається при послідовному застосуванні цих же чинників.

Нестаціонарні імпульсні процеси нагрівання і наступного охолодження матеріалу в умовах градієнту температур у зоні дії електричного розряду або лазерного променю і фазові перетворення зі значним об'ємним ефектом здатні викликати істотні залишкові напруги. Характер розподілу напруг по глибині, їхня величина і знак впливають на формування механічних, а отже, і експлуатаційних властивостей зміцнених деталей і виробів. Проте дослідження залишкових напруг після імпульсної обробки здійснювали здебільшого в основній фазовій складовій покриття чи підкладки, хоча сумарний структурно-напружений стан є результатом адитивної дії напруг в усіх фазових складових. Дослідження розподілу залишкових напруг у кожній із фазових складових дасть змогу побудувати комплексну картину напруженого стану покриття і підкладки, що в свою чергу буде сприяти обґрунтуванню та вибору оптимальних режимів наступної термічної або лазерної обробки для релаксації знеміцнюючих розтягуючих напруг і скористатись додатковим зміцнюючим чинником стискуючих напруг.

Керування характеристиками фазових перетворень, зокрема індукованих прямих і обернених мартенситних різного типу, і перерозподілом залишкових напруг дозволить залучити додаткові можливості формування комплексу властивостей в процесі інтенсивної термічної обробки.

Таким чином, дослідження фундаментальних закономірностей формування фазового і структурно-напруженого стану покриттів і приповерхневих шарів метастабільних сплавів в умовах нерівноважної імпульсної обробки є актуальними.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною систематичних досліджень відділу індукованих мартенситних перетворень Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, в тому числі за темою „Вплив імпульсної обробки на характеристики мартенситних перетворень і структурний стан поверхневих шарів метастабільних сплавів” (№ держ. реєстрації 0199U002752, затверджено постановою Бюро Відділення фізики і астрономії НАН України, протокол №12 від 16 листопада 1999 р.).

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає у визначенні фундаментальних закономірностей формування фазового та структурно-напруженого стану сплавів на основі заліза і титану під дією комбінованої електроіскрової і лазерно-ультразвукової обробки.

Відповідно до поставленої мети основними задачами роботи є:

- дослідження механізму формування фазових складових електроіскрового покриття (ЕІП) і приповерхневих шарів підкладки із вуглецевої сталі;

- кількісний аналіз фазового складу ЕІП залежно від режимів обробки;

- дослідження закономірностей формування залишкових напруг в різних фазових складових ЕІП і сталевої підкладки;

- визначення умов релаксації залишкових напруг в ЕІП і сталевій підкладці при наступній ЛО;

- вивчення умов інтенсифікації азотування сплавів із атмосферного повітря в умовах комбінованої лазерно-ультразвукової обробки (ЛУЗО).

Наукова новизна одержаних результатів. Кількісно визначено фазовий склад ЕІП і приповерхневих шарів сталевої підкладки та закономірності його зміни залежно від технологічних режимів ЕІО і наступної ЛО. Експериментально показано, що залишкові напруги у різних фазових складових ЕІП формуються за різними закономірностями, відрізняються не тільки величиною, але і знаком, та можуть виступати як зміцнюючим, так і знеміцнюючим чинником. Встановлено, що в процесі ЕІО в приповерхневих шарах підкладки формувався високовуглецевий аустенітний прошарок, в якому залишкові напруги були практично зрелаксовані за рахунок зменшення питомого об’єму при оберненому перетворенні. Вперше встановлено, що в ЕІП має місце вторинна карбідизація вольфраму, вивільненого при дисоціації вихідного карбіду WC в легуючому електроді, за умови протікання висхідної дифузії вуглецю із приповерхневих шарів сталевої підкладки. Знайдена можливість інтенсифікації азотування титанових сплавів при комбінованій імпульсній обробці.

Практичне значення одержаних результатів. Виявлені закономірності зміни фазового складу ЕІП при різних технологічних режимах дають можливість керувати формуванням окремих фазових складових і скорегувати технологічні режими виготовлення зносостійких ЕІП. Висока релаксаційна здатність аустенітного прошарку при інтенсивних режимах ЕІО може бути використана для зменшення градієнта напруг на межі покриття-підкладка з метою збільшення товщини ЕІП на вуглецевій сталі. ЛО після ЕІО має певні перспективи для поліпшення експлуатаційних властивостей покриттів. Інтенсивне азотування титанових сплавів в умовах лазерно-ультразвукової обробки може бути використане для додаткового зміцнення готових деталей і виробів.

Особистий внесок здобувача. Автор дисертаційної роботи самостійно виконав основні експериментальні дослідження фазового і структурно-напруженого стану ЕІП, брав безпосередню участь в експериментах з вивчення закономірностей формування нітридних сполук в титанових сплавах після ЛО в ультразвуковому полі. Дисертант брав участь в обробленні результатів дослідів, обговоренні результатів, формулюванні основних висновків, написанні статей та підготовці матеріалів конференцій.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися на VI Всеросійській конференції “Структура и свойства аустенитных сталей и сплавов” (Єкатеринбург, Росія, 2001), 8th European Powder Difffaction Conference, EPDIC-8 (Uppsala, Sweden, 2002), IX Міжнародному семінарі „Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов”, ДСМСМС-2002 (Єкатеринбург, Росія, 2002); II Міжнародній конференції “Materials and Coatings for Extreme Performances: Investigations, Applications, Ecologically Safe Technologies for Their Production and Utilization” (Кацивелі, Крим, Україна, 2002).

Публікації. Основні результати опубліковані в чотирьох статтях та трьох тезах доповідей на конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертацію викладено на 163 сторінках машинописного тексту. Вона складається із вступу, чотирьох розділів і основних висновків. Робота містить 44 рисунки, 7 таблиць, список із 196 цитованих літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито стан проблеми та її значимість, обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, розглянуто наукову новизну та практичну цінність роботи.

У першому розділі проаналізовано літературні дані щодо впливу імпульсних (лазерної, електроіскрової та ультразвукової) обробок на формування структурно-фазового стану вуглецевих сталей та сплавів на основі кольорових металів. Розглянуті теоретичні моделі теплової дії на матеріали концентрованими енергетичними потоками та їхній вплив на легування та зміцнення сталей. Обговорено узагальнюючу модель утворення ЕІП, в якій розглянуто комплекс чинників, що впливають на різні механізми формування покриттів при ЕІО. Описано вплив імпульсної (ЕІО та ЛО) обробки на формування залишкових напруг в металевих матеріалах.

У другому розділі описані матеріали і експериментальні методи дослідження. У роботі досліджувалися ЕІП на підкладці із вуглецевої сталі У8. Покриття наносили у повітряній атмосфері на установці “Елітрон” з використанням легуючого твердосплавного електрода Т15К6.

Для ЛО і ЛУЗО використовували двофазні ()- титанові сплави ВТ-22 і ВТ-23, в яких основа і легуючі елементи мали схильність до нітридоутворення.

ЛО проводили на технологічній лазерній установці КВАНТ-18М імпульсами тривалістю 8 мс. ЛО сплавів здійснювали в режимі лазерного нагріву (0,1-0,45 Дж/мм2), передплавлення (0,5-0,7 Дж/мм2) та оплавлення (0,8-2,0 Дж/мм2). У режимі оплавлення використовували зварювальну насадку.

Ультразвукові коливання створювали генератором УЗДН-А з використанням випромінювача на п’єзокераміці. Зразки для ЛУЗО виготовляли з характеристичним розміром, рівним половині довжини хвилі ультразвуку. Частота ультразвукових коливань становила 20 КГц.

Рентгенівські дослідження фазового складу матеріалів проводили на дифрактометрах ДРОН-3 у залізному, мідному, кобальтовому та молібденовому випромінюванні, монохроматизованому графітовим монохроматором, або ж у характеристичному випромінюванні тих же анодів. Кількість фазових складових у гетерофазних зразках вимірювали за інтегральною інтенсивністю дифракційних рефлексів із урахуванням фактора повторюваності відповідних кристалографічних площин граток фазових складових і коефіцієнтів поглинання рентгенівського випромінювання різними елементами.

Вимірювання залишкових напруг проводили неруйнівним рентгенівським методом “sin2”. Ренгенографували поверхню ЕІП або лазерну доріжку вузьким діафрагмованим пучком, при цьому проекція первинного рентгенівського пучка в області досліджуваного рефлексу мала розміри, істотно менші зони лазерного впливу. Точність вимірювання напруг складала +10 МПа.

Для кількісного аналізу фазових складових в сталі використовували диференційний магнітометричний метод.

Металографічні дослідження проводили на оптичних мікроскопах МИМ-7, МИМ-8 при збільшенні до 800 разів та за допомогою скануючого мікроскопа “Philips”. Розподіл хімічних елементів в приповерхневих шарах ЕІП вивчали за допомогою рентгенівського зонда, влаштованого в скануючий мікроскоп.

Мікротвердість вимірювали за допомогою мікротвердоміра ПМТ-3 при навантаженні на алмазну пірамідку, рівному 20, 50 і 100 г.

Третій розділ присвячено дослідженню закономірностей формування фазового складу і структурно-напруженого стану покриттів та приповерхневих шарів сталевої підкладки під дією ЕІО та ЛО.

Фазовий склад ЕІП на сталевій підкладці У8 суттєво відрізнявся від складу легуючого електроду (рис.1). На дифракційній картині покриття фіксували рефлекси від гексагональної гратки карбіду W2C, ОЦК гратки вольфраму, сполуки на основі TiC із зменшеним параметром гратки і сліди рефлексів кобальту. Не були виявлені рефлекси від основної складової електроду – карбіду WC. Дифракційна картина містила також рефлекси фази і аустеніту сталевої підкладки і карбіду Fe3W3C. Фазовий склад ЕІП виявився досить чутливим до режимів ЕІО. При збільшенні сили електричного струму кількість карбіду W2C в покритті росла (рис. 1).

Рентгенографування електрода Т15К6 показало, що карбід WC здатний дисоціювати практично повністю під дією як ЕІО, так і ЛО. Внаслідок цього відбувалася електрична ерозія і відповідно масоперенесення продуктів дисоціації - карбіду W2C і чистого вольфраму. В ЕІП фіксували значну кількість вольфраму. Проте на певній глибині покриття кількість вольфраму зменшувалася (рис. 2) за рахунок його вторинної карбідізації – кількість W2C помітно збільшувалася за рахунок зменшення кількості вольфраму. ЛО поверхні ЕІП також викликала вторинну карбідізацію в його приповерхневих шарах (рис. 3). Цей процес реалізувався за участі висхідної дифузії вуглецю із підкладки. Вторинну карбідізацію слід розглядати, як зміцнюючий чинник.

Аналіз кристалічної структури сполуки на основі TiC показав можливість засвоєння азоту із атмосферного повітря і синтез карбонітриду TiCN в процесі ЕІО. Із зменшення параметру ГЦК гратки синтезованої сполуки порівняно із параметром, що відповідав стехіометричному складу TiC, оцінили співвідношення TiC:TiN. При інтенсивних режимах ЕІО частка TiN в карбонітриді досягала 70-80%.

Причиною відмінності фазового складу легуючого електроду та отриманого внаслідок ЕІО покриття були різні ерозійна здатність і механізм перенесення окремих фазових складових. Дослідження мікроструктури на початкових етапах формування ЕІП із зондуванням окремих складових показало, що ТіС еродував у твердій фазі лише з частковим оплавленням - спектрограма цієї частки показала інтенсивну лінію Ti. Це відбулося завдяки домінуючому ковалентному зв’язку в TiC, який, як відомо, відповідає за крихке руйнування. Вольфрамомісткі складові еродували у рідкій фазі. Це видно по формуванню складової у вигляді розбризканої закристалізованої краплі, де на відповідних спектрограмах найбільш інтенсивною була лінія W.

Підвищення густини енергії лазерного променя при наступній ЛО призвело до додаткового зменшення параметру аТіС, що є свідченням підвищення вмісту азоту у синтезованій сполуці ТіСN. Є підстави вважати, що в ЕІП формувався твердий азотистий розчин за рахунок реалізації засвоєння азоту як у каналі розряду, так і в результаті бомбардування поверхні електрода. Їхній внесок у формування твердого розчину ТіСN, очевидно, є адитивним.

Наявність азоту у сполуці на основі TiC після ЛО в атмосфері вдалося показати прямим експериментом. З цією метою основну складову вихідного електроду Т15К6 або ЕІП, здатну до засвоєння азоту із атмосферного повітря - карбід TiC, у вигляді порошку обробляли лазерним променем у режимі оплавлення. Визначення вмісту азоту провели фотоколометричним методом. Він виявився рівним 0,7 ваг.%. В дійсності концентрація азоту є значно вищою, бо він засвоювався тільки оплавленим поверхневим шаром порошку карбіду TiC, а розрахунок вівся відносно всього об’єму.

Утворення карбонітридів і нітридів у покритті може бути корисним у зв'язку з тим, що в порівнянні з карбідами вони мають більшу мікротвердість, низький коефіцієнт тертя по сплавах на основі заліза і високу стійкість до стирання.

Різко нерівноважні умови формування структурно-фазового стану ЕІП і легованого шару сталевої підкладки приводили до значної величини залишкових напруг узал Основні закономірності розподілу узал у покриттях при високоенергетичній обробці, у тому числі при ЕІО, достатньо досліджені. Однак у відомих нам роботах узал вимірювали для основної структурної складової покриттів і сталевої підкладки, що не дозволяє повністно характеризувати їх складний напружений стан. У гетерофазних покриттях доцільно вимірювати напруги у кожній з фазових складових у зв'язку зі значною різницею їхніх теплових властивостей, модулів пружності, коефіцієнтів термічного розширення, об'ємних ефектів при структурних перетвореннях. Такі вибіркові виміри в різних фазах можуть бути проведені тільки рентгенівським методом. Механічний метод Давиденкова дає усереднені значення узал по всьому об’ємові покриття і для вимірів у різних фазових складових неприйнятний. Тому виміри залишкових напруг проводили рентгенівським неруйнівним методом sin2ш. При цьому використовували рентгенівське випромінювання з різною довжиною хвилі для окремих фазових складових.

Рентгенографування поверхні ЕІП показало, що матеріал покриття перебуває в складному структурно-напруженому стані. При цьому залишкові напруги в фазових складових ЕІП та сталевої підкладки відрізнялись як за величиною, так і за знаком (рис. 4). Розтягуючі напруги зафіксували у фазі TiCN. В інших складових покриття, а також у б-фазі підкладки формувалися стискуючі напруги. При цьому вони немонотонно змінювалися по глибині покриття. Уже на глибині 8-10 мкм напруги значно падали.

Додаткова ЛО приводила до суттєвої зміни характеру розподілу залишкових напруг. При цьому для кожної фазової складової спостерігалась своя закономірність релаксації залишкових напруг. При ЛО з різною густиною енергії лазерного променя є можливість вибірково релаксувати залишкові напруги у різних фазових складових, а отже, позбавлятися від небажаних знеміцнюючих напруг та мати виграш від напруг, що носять зміцнюючий характер. При ЛО в режимі оплавлення формувався якісно новий структурно-напружений стан з новим комплексом фізико-механічних властивостей.

Цікавою особливістю структурного стану підкладки виявилася практично повна релаксація напруг в аустенітному прошарку. Падіння напруг в аустенітній фазі було пов'язано в основному зі зменшенням питомого об’єму фази при б-г-перетворенні. Виявлене явище може бути технологічно корисним внаслідок того, що такий прошарок утворювався безпосередньо під ЕІП і релаксував напруги на межі покриття-основа, що покращувало адгезію матеріалу покриття і сталевої основи. При інтенсивній обробці розвивалися більш значні напруги на границі з основою. Одночасно релаксаційна здатність аустенітного прошарку зростала. Це визначалося збільшенням об'ємного ефекту б-г-перетворення при збільшенні вмісту вуглецю. Величина об'ємного ефекту при б-г-перетворенні у вуглецевій сталі може бути виражена формулою
(ДV/V)б-г = 2,5 + 1,08p, де p - вміст вуглецю у вагових відсотках. Приведений вираз може характеризувати також і ступінь релаксації напруг аустенітним прошарком при збільшенні вмісту вуглецю в ньому. Отже, формування аустенітного прошарку і збільшення вуглецю в ньому при інтенсивних режимах ЕІО сприяє поліпшенню властивостей покриття.

Четвертий розділ присвячено дослідженню можливості інтенсифікувати процес азотування сплавів при ЛУЗО. Зразки із титанових сплавів ВТ-22 і ВТ-23 кріпили до концентратора ультразвукових коливань генератора і опромінювали лазерним променем ділянки зразка в одному випадку - з максимальною амплітудою коливання зразка і в другому випадку - з максимальною деформацією зразка.

ЛО без оплавлення не змінювала параметрів ґраток, тобто засвоєння азоту не було. ЛО ()- титанових сплавів з нагріванням у - область призвела до збільшення кількості - фази в приповерхневому шарі на 10%. Стабілізація - фази була викликана в основному формуванням стискуючих залишкових напруг, що гальмували --перехід. В процесі ЛО в режимі оплавлення у приповерхневому шарі сплавів синтезувався нітрид TiN з параметром ґратки, меншим за величину, характерну для сполуки TiN стехіометричного складу. Це відповідало формуванню нітриду з частково заповненою азотною підграткою. Кількість TiN зростала при підвищенні густини енергії лазерного променя. При лазерному оплавленні спостерігали текстуру оплавленого шару з переважною орієнтацією кристалітів TiN в напрямку 100, аналогічну текстурі росту із розплаву металів з кубічною структурою. В результаті різкого охолодження після лазерного оплавлення замість гексагональної - фази формувався орторомбічний ?- мартенсит із відповідним розщепленням певних рефлексів -фази.

При ЛУЗО в режимі максимальних коливальних зміщень зразка спостерігали інтенсивне випаровування металу і викиди рідкого розплаву з наступним утворенням порошку на підкладці. При відхиленні частоти ультразвуку на 1-2 КГц від умов реалізації максимальних коливань на підкладці формувалася дуже тонка плівка. Ці явища, очевидно, можуть бути використані для отримання в умовах надвисокої швидкості охолодження тонких плівок чи порошку в нанокристалічному стані, які містять високодисперсні нітриди і азотисті - та - тверді розчини. При цьому режимі обробки внаслідок нестійкості лазерного розплаву в ультразвуковому полі на поверхні зразків формувався розвинутий специфічний макрорельєф, що не дозволяв зафіксувати дифракційну картину через невиконання умов бреггівського відбивання.

Знайдена можливість керувати елементами геометрії такого рельєфу шляхом зміни густини енергії, частоти слідування, кратності лазерних імпульсів, ступеню перекриття індивідуальних лазерних плям, частоти і потужності ультразвуку. Це явище можна використати при створенні технології обробки титанових сплавів із поверхневим зміцненням і розвиненим рельєфом, здатним утримувати змащувальні матеріали у високонавантажених вузлах тертя.

В режимі із максимальними деформаціями дифракційна картина уже надійно фіксувалась. Аналіз дифрактограм показав, що в результаті такої обробки утворився нітрид титану із параметром кристалічної гратки більшим, ніж при ЛО, та близьким до параметру сполуки із стехіометричним складом. Крім того, дифракційна картина містила додаткові слабкі рефлекси нітридів легуючих елементів Мо2N та VN.

Додаткове утворення нітридів легуючих елементів свідчило про інтенсифікацію процесу засвоєння азоту при ЛУЗО в порівнянні з ЛО. Це було пов’язано з ефективним перемішуванням лазерного розплаву в ультразвуковому полі.

ВИСНОВКИ

1. Структурно-фазовий склад ЕІП на сталевій підкладці У8 визначався практично повною дисоціацією карбіду WC на поверхні легуючого електрода Т15К6 на складові W2C і W та їх подальшою ерозією, взаємодією продуктів ерозії з елементами міжелектродного середовища (вуглецем, азотом, киснем), взаємною дифузією елементів покриття і сталевої підкладки, а також висхідною дифузією вуглецю із приповерхневих шарів підкладки.

2. Виявлено складний структурно-напружений стан гетерофазних ЕІП і приповерхневих шарів підкладки та показано, що залишкові напруги у різних фазових складових формувалися за різними закономірностями - у сполуці на основі ТіС формувалися розтягуючі, а в складових W2C, W, Fe - стискуючі напруги.

3. Висхідна дифузія вуглецю в процесі ЕІО сталевої підкладки індукувала обернене мартенситне перетворення, призводила до формування в перехідній області карбіда Fe3W3C та викликала вторинну карбідизацію вольфраму, що утворився при попередній дисоціації карбіду WC.

4. В процесі ЕІО в приповерхневому шарі сталевої підкладки формувався високовуглецевий аустенітний прошарок, в якому залишкові напруги були практично зрелаксовані за рахунок протікання перетворення із зменшенням питомого об’єму. Релаксаційна здатність аустенітного прошарку зростала при інтенсивних режимах ЕІО, що сприяло зменшенню градієнта напруг на міжфазних границях та збільшенню товщини покриття.

5. У каналі електричного розряду синтезувався карбонітрид титану TiCN із збільшенням частки TiN при інтенсивних режимах ЕІО до 70-80%.

6. Лазерний нагрів ЕІП здатний поліпшити його експлуатаційні властивості за рахунок додаткового засвоєння азоту із збільшенням частки нітриду TiN в карбонітриді TiCN, вторинної карбідизації вольфраму із утворенням високоміцного карбіду W2C та вибіркової релаксації знеміцнюючих розтягуючих при збереженні зміцнюючих стискуючих залишкових напруг.

7. ЛО титанових сплавів ВТ-22 і ВТ-23 в режимі оплавлення призвела до синтезу нітриду TiN з параметром гратки, меншим за величину, характерну для сполуки стехіометричного складу. Процес азотування з атмосферного повітря інтенсифікувався при лазерному оплавленні в ультразвуковому полі, в результаті чого утворився нітрид TiN практично стехіометричного складу, підвищився вміст азоту в - і - твердих розчинах і додатково синтезувалися нітриди Mo2N і VN. Інтенсифікація засвоєння азоту була пов’язана з ефективним перемішуванням лазерного розплаву в ультразвуковому полі, коли на додаток до термокапілярного вихрового плину виникала кавітація розплаву, що забезпечувало масоперенесення по всій глибині ванни.

Основні результати дисертації опубліковані у наступних роботах:

1. Бондар В.Й., Данільченко В.Ю., Прокопенко Г.І., Семирга О.М. Лазерно-ультразвукова обробка титанового сплаву ВТ-22 // Доповіді Національної академії наук України.- 2003.- №9 .- С. 97-102.

2. Данільченко В.Ю., Семирга О.М. Закономірності формування електроіскрових покриттів на сталевій підкладці // Металознавство та обробка металів.- 2003.- № 2.- С. 25 –30.

3. Бондарь В.И., Данильченко В.Е., Прокопенко Г.И., Семирга А.М. Структурно-фазовое состояние титанового сплава после лазерной обработки в ультразвуковом поле // Металлофизика и новейшие технологии. - 2003.- №4.- С. 485-500.

4. Bondar V.I, Gubin Yu.V., Danil’chenko V.E., Paustovsky A.V., Semyrga A.M. Structure and phase state of spark coating // Materials and Coatings for extreme Performances: Investigations, Applications, Ecologically Safe Technologies for Their Production and Utilization. Proceedings of conference. – Katsavely (Ukraine), 2002. - P. 492-493.

5. Данильченко В.Е., Семирга А.М. Структурные факторы лазерного упрочнения стали // IX Международный семинар “Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов”. Тезисы докладов. - Екатеринбург (Россия), 2002.- С.153.

6. Данильченко В.Е., Семирга А.М. Влияние лазерной обработки аустенита на структурное состояние метастабильных сплавов Fe-Ni и Fe-Ni-C // VI Всероссийская конференция “Структура и свойства аустенитных сталей и сплавов”. Тезисы докладов. - Екатеринбург (Россия), 2001. – С. 79.

7. Bondar V.I., Danilchenko V.E., Semyrga O.M. Structural-phase state of carbon steel after impulse treatment // 8th European Powder Difffaction Conference. Collected abstracts. – Uppsala (Sweden), 2002. - P. 134.

Семирга О.М. Закономірності формування структурно-фазового стану покриттів та приповерхневих шарів сплавів на основі заліза і титану при комбінованій імпульсній обробці. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.01 – металознавство та термічна обробка металів. - Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, Київ, 2004.

Дисертацію присвячено дослідженню фазового та структурно-напруженого стану електроіскрових покриттів та приповерхневих шарів сплавів на основі заліза і титану під дією комбінованої електроіскрової і лазерно-ультразвукової обробки.

Прямими структурними методами показано, що структурно-фазовий склад ЕІП на сталі У8 визначався дисоціацією карбіду WC на складові W2C і W та їх подальшою ерозією, взаємодією продуктів ерозії з елементами міжелектродного середовища (вуглецем, азотом, киснем), взаємною дифузією елементів покриття і сталевої підкладки, а також висхідною дифузією вуглецю із приповерхневих шарів підкладки.

Вперше встановлено, що в процесі формування покриття мала місце вторинна карбідізація вольфраму, що утворився при дисоціації карбіду WC.

Аналіз структурно-напруженого стану системи показав, що у сполуці на основі ТіС формувалися розтягуючі, а в складових покриття W2C, W і складовій Fe підкладки – стискуючі залишкові напруги. У високовуглецевому аустенітному прошарку підкладки залишкові напруги були практично зрелаксованими, що сприяло зменшенню градієнта напруг на міжфазній границі і збільшенню товщини покриття.

Встановлено, що лазерний нагрів ЕІП поліпшував його експлуатаційні властивості за рахунок засвоєння азоту із збільшенням частки нітриду TiN в карбонітриді TiCN, додаткової вторинної карбідизації W із утворенням високоміцного карбіду W2C та вибіркової релаксації знеміцнюючих розтягуючих при збереженні зміцнюючих стискуючих залишкових напруг.

Лазерна обробка в ультразвуковому полі титанових сплавів
ВТ-22 і ВТ-23 інтенсифікувала процес азотування із атмосфери з утворенням нітридів TiN, Mo2N, VN та азотистих твердих - і - розчинів.

Ключові слова: електроіскрова обробка, лазерно-ультразвукова обробка, залишкові напруги, структура, аустеніт.

Семирга А.М. Закономерности формирования структурно-фазового состояния покрытий и приповерхностных слоев сплавов на основе железа и титана при комбинированной импульсной обработке. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01 – металловедение и термическая обработка металлов. – Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины, Киев, 2004.

Диссертация посвящена исследованию фазового и структурно-напряженного состояния электроискровых покрытий и приповерхностных слоев сплавов на основе железа и титана под действием комбинированной электроискровой и лазерно-ультразвуковой обработки.

Прямыми структурными методами показано, что структурно-фазовое состояние ЭИП на стали У8 определялось диссоциацией карбида WC на составляющие W2C и W и их последующей эрозией, взаимодействием продуктов эрозии с элементами межэлектродной среды (углеродом, азотом, кислородом), взаимной диффузией элементов покрытия и стальной подкладки, а также восходящей диффузией углерода из приповерхностных слоев подкладки.

Впервые установлено, что в процессе формирования покрытия имела место вторичная карбидизация вольфрама, который образовался при диссоциации карбида WC.

Анализ структурно-напряженного состояния системы показал, что в соединении на основе ТiС формировались растягивающие, а в составляющих покрытия W2C, W и составляющей Fe подложки – сжимающие остаточные напряжения. В высокоуглеродистой аустенитной прослойке подложки остаточные напряжения были практически срелаксированными, что способствовало уменьшению градиента напряжений на межфазной границе и увеличению толщины покрытия.

Установлено, что лазерный нагрев ЭИП улучшал его эксплуатационные свойства за счет усвоения азота с увеличением доли нитрида TiN в карбонитриде TiCN, дополнительной вторичной карбидизации вольфрама с образованием высокопрочного карбида W2C и выборочной релаксации разупрочняющих растягивающих при сохранении упрочняющих сжимающих остаточных напряжений.

ЛУЗО в режиме максимальных напряжений в образце интенсифицировала процесс азотирования из атмосферного воздуха. В результате синтезировался нитрид TiN с параметром решетки, увеличенным по сравнению с параметром нитрида TiN, который синтезировался при ЛО. Это было связано с более высокой степенью заполнения азотной подрешетки нитрида. Дополнительно образовывались нитриды Mo2N и VN и увеличивалось содержание азота в - и - фазах. Интенсификация усвоения азота вызвана более эффективным перемешиванием лазерного расплава в ультразвуковом поле, когда в добавление к термокапилярному вихревому течению возникала кавитация расплава, что обеспечивало вместе со знакопеременными напряжениями, возбуждаемыми в образце ультразвуковым полем, массоперенос по всей глубине ванны.

Ключевые слова: электроискровая обработка, лазерно-ультразвуковая обработка, остаточные напряжения, структура, аустенит.

Semyrga O.M. Regularities in forming of a structural-phase state of coats and nearsurface layers of iron- and titanium-based alloys at combined impulse treatment. Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree on speciality 05.16.01 - physical metallurgy and heat treatment of metals. - G.V.Kurdjumov Institute of Metal Physics NASU, Kiev, 2004.

The thesis is devoted to investigation of phase and a structural-stress state of spark-erosion coats and nearsurface layers of iron- and titanium-based alloys under an operation of combined spark-erosion and laser-ultrasonic treatment.

By means of direct structural methods it is shown that structural-phase state of spark-erosion coats on the steel У8 is determined by a dissociation of carbide WC into such components as W2C and W and their consequent erosion, the following interaction of erosion products with elements of interelectrode medium (carbon, nitrogen, oxygen), an interdiffusion of elements of a coat and a steel undercoat, and also an uprising diffusion of carbon from nearsurface layers of the liner.

For the first time it is determined that a secondary carbidization of a tungsten took place.

The analysis of a structural-stress state of the system have showed that in compound on the base of TiC stretching residual stresses have been formed, and in coat components W2C, W and the liner component Fe squeezing residual stresses have been registered. In high-carbon austenitic interlayer of the liner residual stresses were practically relaxed, that promoted stress gradient reduction on a phase boundary and an increase of thickness of a coat.

It was determined that laser heating of spark-erosion coat improved exploitation properties at the expense of assimilation of nitrogen with the increase of a nitride TiN fraction in TiCN carbonitride, additional secondary tungsten carbidization with formation of high-strength carbide W2C and a selective relaxation of weaken stretching stresses with conservation of reinforcing contracting residual stresses.

The laser treatment in the ultrasonic field of the titanic alloys BT-22 and BT-23 intensified the process of nitrogenization from an atmosphere with the nitrides TiN, Mo2N, VN formation and nitrogenous solid - and - solutions.

Key words: spark-erosion treatment, laser-ultrasonic treatment, residual stress, structure, austenite.