CC BY
15
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕХАНОАКТИВИРОВАННЫХ ПОРОШКОВ НА ОСНОВЕ ИМ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЁВ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ
о о
ФОРМЫ ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ИЗДЕЛИИ
П.О. Русинов, Ж.М. Бледнова
Канд. техн. наук, с.н.с. кафедры «Динамика и прочность машин» Кубанский государственный технологический университет, г.Краснодар
ВВЕДЕНИЕ
Одной из главных особенностей современных наукоемких технологий является стремление создавать и использовать новые материалы, обладающие, помимо уникальных сочетаний механических, физических и других свойств, способностями активно реагировать на изменение внешних условий или внешнее воздействие (интеллектуальные материалы). К числу таких материалов относятся, в первую очередь, сплавы с эффектом памяти формы (ЭПФ) [1,2]. Уникальное сочетание функциональных свойств памяти с высокими механическими характеристиками нашли широкое практическое применение при создании изделий, стабильно работающих в условиях длительного механоциклирования, коррозионных сред, ударных воздействий и интенсивного изнашивания, с возможностью обратимого формоизменения [3-5]. Непосредственное использование сплавов с ЭПФ в качестве конструкционных материалов в машиностроении хотя и открывает широкие возможности, но является дорогостоящим. Этот недостаток может быть компенсирован созданием новых экономичных технологий формирования поверхностных слоев из сплавов с ЭПФ [6]. Значительное повышение функционально-механических свойств поверхностных слоев из сплавов с ЭПФ может быть достигнуто при формировании наноструктурного состояния [7]. Формирование наноструктурных состояний, как в объеме, так и на их поверхности достигается различными комбинированными методами обработки в условиях высокоэнергетических воздействий [7-9]. При этом в комбинированных методах реализуется принцип синергетичности, который проявляется в новых качественных эффектах при
совмещении процессов различного кинетического механизма [10]. Именно таким совмещенным процессом является измельчение и механическая активация (МА) порошков для поверхностного модифицирования [9,11].
Целью настоящей работы является повышение функционально-механических свойств стальных изделий путем создания наноструктурного состояния в покрытии из материала с ЭПФ плазменным напылением МА порошка Т№.
Методика эксперимента. Для формирования поверхностных слоев Т№ на стали использовалась технология плазменного напыления МА порошков марок ПН55Т45 и ПНК1-ВЛ7. Напыление Т№ осуществляли через промежуточный слой чистого никеля N1 (5=100 мкм), обеспечивающего прочную связь на границе сталь - Т1№, на цилиндрических (0 10 мм, сталь 45) образцах. Общая толщина слоя варьировалась в пределах 0,9^1 мм.
Порошки №, №Т марок ПНК1-ВЛ7, ПН55Т45 для плазменного напыления подвергались МА в высокоскоростной планетарной шаровой мельнице (аттриторе), со стальной мешалкой и стальными шарами 0 6 мм. Скорость вращения мешалки составляла 900 мин-1, отношение массы шаров к массе загрузки порошка составляло 20:1.
В процессе МА порошка ПН55Т45 происходит его дробление и пластическое деформирование. Частички порошка ПН55Т45 до МА имели размер 5-18 мкм, после МА представляют собой плоские диски размером от 0,9 до 7 мкм, с наночастицами (рис.1). Зависимость среднего размера частиц порошка Т№ от времени МА представлена на рис. 2.
в) г)
Рис.1. Порошок ПН55Т45 механически активированный в аттриторе в течение 1ч, ><500 - а); ><1000 - б); ><1600 - в);
х50000 - г)
100 120 140 160 180 Время механоактивации, мин
Рис. 2. Зависимость среднего размера частиц порошка ПН55Т45 от времени механоактивации
Плазменное напыление осуществлялась на модернизированной универсальной плазменной установке УПУ-3Д [12, 13]. Плазмообразующим газом являлась аргонно-азотная смесь. В результате отработки технологического процесса и статистической обработки технологических параметров установлены оптимальные режимы плазменного напыления материалов с ЭПФ Т1№: плазмообразующий газ Аг = 80%, N2 = 20%; дистанция напыления 150 мм; напряжение 38 В; ток 305 А; мощность 11,6 кВт; расход плазмообразующего газа 0,483 л/с. Плазмообразующий газ Аг = 70%, N2 = 30%; дистанция напыления 150 мм; напряжение 47 В; ток 297 А; мощность 13,96 кВт; расход плазмообразующего газа 0,467 л/с. Поверхностный слой Т1№ поэтапно подвергали полному термомеханическому циклу (ТМЦ) обработки, включающему механическую, термическую и комбинированную термомеханическую обработки (ТМО) [12].
После напыления и механической обработки в размер, проводился вакуумный отжиг образцов: сталь+Т1№ при Т=873К в течение 1 ч. Для придания по-
верхностному слою необходимых функционально-механических свойств его подвергали ТМО методом поверхностного пластического деформирования (ППД) в условиях комнатных температур (20-30°С) в несколько приемов. Обкатку цилиндрических образцов из стали 45 с Т1№ покрытием проводили в условиях комнатных температур, при следующих параметрах обкатки роликами: контактная нагрузка (на каждый ролик) Р=3^4 кН, диаметр ролика dl - 0 50 мм, ширина ролика Ъ: - 8 мм, скорость обкатки v=94•10-3 м/с, продольная подача - S=0,08 мм/об. Контроль термомеханического возврата образцов, подвергнутых комбинированной обработке в ТМЦ производился после нагрева до температур обратного мартенситного превращения.
Структурно-механические особенности формирования поверхностных слоев из сплава с ЭПФ. В результате плазменного напыления МА порошков образуется нанокристаллическое покрытие (рис. 3,а) с минимальным содержанием пор 3-5% (рис. 3,б), увеличивается прочность сцепления покрытия с основой (50-60 МПа).
а) б) Рис. 3
Количественное распределение размера зерен и их процентного содержания в покрытии Т1№ - а); распределение пор в покрытии и их процентное содержание Т1№ - б)
Результаты рентгенофазового анализа показали, что при комнатной температуре исходное фазовое состояние слоя Т1№ после плазменного напыления МА порошка представляет собой мартен-ситную фазу В19' с моноклинной решеткой, аустенит-ную В2-фазу с кубической решёткой, фазу ^№4 с ромбоэдрической решёткой, фаза №3Т1 с гексагональной
решеткой, фаза №Т12 с кубической решеткой, небольшое количество ТЮ и №ТЮз с ромбоэдрической решеткой (менее 1%). Наличие небольшого количества
побочных интерметаллидных фаз №3Т1 связано с различием в коэффициентах диффузии N1 и Т1 (Ом > Оп),
поэтому при их взаимодействии образуется интерме-таллид с большим содержанием легко диффундирующего компонента.
Структура напыленного слоя Т1№ имеет крайне слабую травимость обычными реактивами, что во многом объясняется сильным измельчением зерна в результате высокоскоростного нагрева, быстрого охлаждения,
и значительной деформации (рис. 4), что обеспечивает особые структурные эффекты. В связи с характерными особенностями плазменного напыления МА порошка (высокая скорость охлаждения и быстрая закалка покрытия) при напылении в поперечном разрезе слоя Т1№ отсутствуют четко выраженные столбчатые дендриты, структура может быть охарактеризована как нанокри-сталлическая.
в) г)
Рис. 4. Наноструктурированное Т1№ покрытие, полученное плазменным напылением МА порошка: >120000 - а); х2000 - б); ><50000 - в); микроструктура В19' мартенсита, >100000 - г)
Полученное Т1№ покрытие имеет наноразмер-ную структуру с размером зерна 15-140 нм (рис. 4), На рис. 4, а показана наноразмерная структура В2 аусте-нита (размер зерна порядка 80-120 нм) с включениями интерметаллидной фазы Т12№ (размер зерна порядка 10-30 нм). На рис. 4,г представлена игольчато-пластинчатая структура моноклинной фазы В19' Т1№.
Влияние термической обработки на структуру и функционально-механические свойства поверхностного слоя Т1№
Термомеханическая обработка использовалась как необходимый способ эффективного повышения комплекса функционально-механических свойств поверхностного слоя из сплава с ЭПФ. В практическом плане наибольший интерес представляют такие функциональные свойства, как величина реактивных напряжений при запрете возврата деформации и обратимая деформация. Для обеспечения этих характеристик
необходима комплексная обработка с определенными деформационными условиями, соответствующими температурному интервалу мартенситных превращений поверхностного слоя из сплава с ЭПФ. Так, достижение необходимого уровня развиваемых реактивных напряжений формовосстановления Т1№ (ся) и обратимой деформации (ев} в термомеханическом цикле обработки поверхностного слоя осуществлялось как в условиях комнатных температур, так и повышенных температур обкаткой цилиндрических поверхностей.
Эффективный слой из сплава Т1№ в свободном состоянии восстанавливает наведенную деформацию при нагреве до температур А8-Л^ При выборе оптимального диапазона пластического деформирования стали с поверхностным слоем Т1№ необходимо учитывать ограничение допустимой степени деформации, которая, в свою очередь, определяется механическими свой-
ствами покрытия и основы. Величина наведенной пластической деформации не должна превышать 6-15%, поскольку более высокая степень деформирования в некоторой мере подавляет эффект памяти формы, увеличивая при этом величину неупругих деформаций [15].
После проведения отжига с последующим пластическим деформированием слоя Т№ наблюдается высокая плотность дефектов кристаллического строения аустенитной В2-фазы с формированием мелкозернистого аустенита (П№ размер зерна порядка 60-80нм), что приводит к повышению микротвердости (частично снимаемой отжигом) и циклической долговечности всех исследуемых образцов. Наши исследования показали, что при полном цикле обработки, включающем плазменное напыление МА Т№, отжиг, а затем ППД приводит к формированию однородной нанокристалли-ческой структуры, повышению долговечности и функционально-механических возможностей сплавов с ЭПФ. Такая тренировка слоя Т№ в несколько приемов
дает сочетание повышенной твердости и сопротивления усталости при малоцикловом нагружении со стабильными функциональными характеристиками ЭПФ.
Эксплуатационные свойства покрытий из сплава с ЭПФ ИМ
Общеизвестно об уникальных усталостных свойствах никелида титана, его износо- и коррозионностой-кости [1,3,14] Этот сплав в различных формах: в виде проволоки, лент и полос оказывает высокое сопротивление в условиях циклического нагружения. Высокие характеристики сопротивления усталости получены и при исследовании Т№ слоев после аргонодугового способа наплавки [6]. В настоящей работе, как показали испытания образцов (сталь 45+ Т№) на многоцикловую усталость при изгибе с вращением, наблюдается повышение долговечности (рис.5,а). Предел выносливости (с-0 стали 45 без покрытия составил 275 МПа, а после ПМСЭПФ №Т - 415 МПа (увеличился на 51%).
Ga, МПа 500■
400-
300
200
104
105
10' N, циклов 107
а) б)
Рис.5. Влияние поверхностного модифицирования стали 45 материалом с ЭПФ на основе Т№ на предел выносливости на воздухе: 1 - сталь 45 без покрытия; 2 - сталь 45 с покрытием Т№ 5= 1 мм
- а); на интенсивности изнашивания - б)
Повышение долговечности образцов с нанострукту-рированным поверхностным слоем Т№ объясняется как особенностями разрушения наноструктурированных материалов, заключающимися в торможении разрушения на границах зерен, препятствии ветвлению и движению трещин вследствие упрочнения границ, так и псевдоупругостью поверхностного слоя Т№, присущей материалам с ЭПФ. Накопленная поверхностным слоем деформация способна восстанавливаться в процессе циклической разгрузки и, таким образом, не накапливаться в материале, что повышает его долговечность [16].
В настоящее время для определения величины износа материалов применяют различные методы, среди которых можно отметить весовой, метод определения линейного износа, метод искусственных баз и другие. Испытание на износостойкость образцов поверхностно модифицированных Т№ производилась по величине убыли массы №Т (ГОСТ 16429-70). Испытания проводились при сухом трении закаленной втулки из стали У10 о
поверхность образцов с покрытиями толщиной 1мм, скорость вращения образца внутри втулки составляет 1500 об/мин, при нагрузке 300 Н. Через каждые 2 минуты проводилось взвешивание образцов. На (рис.5,б) представлены результаты обработки этих экспериментов (с помощью прикладного пакета Statistica v6.0 в среде SPSS) при испытаниях на износостойкость стали 45 после поверхностного модифицирования TiNi. Полученные зависимости описываются уравнениями общего вида: I = C + a • t, где С, а - эмпирические коэффициенты (C = 0,099; а = 0,048); t - время, мин. Результаты исследования показали, что увеличение износостойкости стали 45 с покрытием TiNi после плазменного напыления МА порошка и последующего отжига составило (—30^90 %), а повышение износостойкости в результате полного ТМЦ обработки -(-3^4 раза).
Заключение
В результате проведенных исследований установлено, что комплексный метод формирования поверхностно-модифицированных слоев из материалов с ЭПФ,
включающий плазменное напыление механоактивирован-ных порошков на основе TiNi, последующую термическую и термомеханическую обработку позволил сформировать в поверхностных слоях наноструктурное состояние, обладающее повышенным уровнем функциональных, механических и эксплуатационных свойств; показано, что предварительная механоактивация порошка TiNi позволила снизить пористость покрытий (пор менее 3-5%) и обеспечить прочность сцепления покрытия с основой (60МПа).
Экспериментально установлено, что после плазменного напыления МА порошка с ЭПФ на основе TiNi циклическая долговечность в условиях многоцикловой усталости увеличивается на ~30-50%. Износостойкость стали 45 после наплавки и отжига TiNi слоев увеличилась в 3 -4 раза, а после их тренировки в термомеханическом цикле в 3,8^4,7 раза.
Работа выполнена в рамках государственного задания № 2416 (2014) при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации и гранта Президента Российской Федерации.
Список литературы:
1.Хачин В.Н., Пушин В.Г., Кондратьев В.В. Никелид титана: Структура и свойства. М.: Наука, 1992. - 161 с. 2.Otsuka K., Kakeshita T. Science and technology of shape-memory alloys: new developments //mrs bulletin. 2002. - p. 91-98.
3.Материалы с эффектом памяти формы: Справ. изд. / Под ред. Лихачева В.А. - Т. 1. - СПб.: Изд-во НИИХ СПбГУ, 1997. - 424 с.
4.Duering T.W. et all. Engineering Aspects of Shape Memory Alloys. - London: Buttenworth-Heinemann, 1990. -р. 499.
5.Молодцов Г.А. и др. Формостабильные и интеллектуальные конструкции из композитных материалов. - М.: Машиностроение, 2000. - 352 с.
6.Бледнова Ж.М., Махутов Н.А., Чаевский М.И., Поверхностное модифицирование материалами с эффектом памяти формы. Краснодар: Издательский дом-ЮГ. - 354 с.
7.Устинов В.В., Пушин В.Г. Сагарадзе В.В. Нанотехноло-гии получения функциональных и конструкционных интеллектуальных материалов с памятью формы в институте
физики металлов уральского отделения РАН. Материалы первой межд. науч.-тен. конф. Нанотехнология функциональных материалов. С.-П. НИУ СПбГПУ, 2010. - С. 4244.
8.Валиев Р.З. Создание наноструктурных металлов и сплавов с уникальными свойствами, используя интенсивные пластические деформации // Российские нанотехнологии, 2006. № 1-2. - С. 208-216.
9.Поверхностные слои и внутренние границы раздела в гетерогенных материалах / Под ред. Панина В.Е. Новосибирск: Изд-во СО РАН. 2006. -520.
10.Степанов Е.Г., Серебряков С.П., Березина Л.В., Абрамов М.А. Наноразмерные эффекты в процессах самоорганизации и структурообразования в неорганических материалах / Материалы Всероссийской конференции «Нанотехнологии в производстве авиационных газотурбинных двигателей летательных аппаратов и энергетических установок» «ГТДнанотехнологии-2010). -РГАТА, 2010. С. 12- 16.
11.Фундаментальные основы механической активации, механосинтеза и механохимических технологий. Новосибирск, Изд. СО РАН, 2009. - 342 с.
12.Бледнова Ж.М., Русинов П.О. Формирование нано-структурированных поверхностных слоев из материалов с памятью формы на основе Т1№ и №А1 // Российские нанотехнологии. - 2010. - № 3-4. - С. 58-64.
13.Пат. № 2402628 Установка для получения нанострук-турированных покрытий деталей с цилиндрической поверхностью с эффектом памяти формы / Авторы: Ж.М. Бледнова, П.О. Русинов. Заяв. 23.03.2009. Опуб. 27.10.2010.
14.Ооцука К., Симидзу К. и др. Сплавы с эффектом памяти формы - М.: Металлургия, 1990. - 224 с.
15. Бледнова Ж.М., Будревич Д.Г., Махутов Н.А., Чаев-ский М.И. Структурно-механические свойства материалов, поверхностно-модифицированных сплавами с эффектом памяти формы // Заводская лаборатория. Диагностика материалов - 2003. - №9. - С. 61-64.
16.Матвиенко Ю.Г. Деформирование и разрушение нано-материалов на микро- и наномасштабных структурных уровнях // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2007. - Т.73. - № 1. - С.83-90.
АЛГОРИТМИЗАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЛИСТОВЫХ ЗАГОТОВОК НА ГИБОЧНО-РАСТЯЖНОМ ОБОРУДОВАНИИ С ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
Корзунина Вера Васильевна
Канд. техн. наук, доцент кафедры вычислительной математики и прикладных информационных технологий, г. Воронеж Шабунина Зоя Александровна Канд. физ. -мат. наук, доцент кафедры вычислительной математики и прикладных информационных технологий, г. Воронеж
В последнее время возможности гибочно-растяж-ного оборудования с программным управлением в машиностроении значительно расширяются за счёт увеличения числа координат, управляемых программно и позиционно. Программное управление технологическим процессом
осуществляется на основе математического моделирования процесса формообразования, целью которого является определение текущего напряжённо-деформированного состояния заготовки в процессе формообразования и оценка вероятности появления браковочных признаков. В настоящей работе изложены основные алгоритмические
