CC BY
50Технология и мехатроника в машиностроении
УДК 669.058.67
ПРИМЕНЕНИЕ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МАТЕРИАЛОВ
В. В. Азингареев
ОАО «Красноярский машиностроительный завод» Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 29
E-mail: [email protected]
Рассмотрено применение импульсных концентрированных потоков энергии для модифицирования поверхностного слоя материалов при нанесении ионно-плазменного напыления.
Ключевые слова: импульсные потоки плазмы, ионные пучки, очистка поверхности, ионно-плазменное напыление.
USE OF CONCENTRATED ENERGY FLOW FOR MODIFICATION OF MATERIAL SURFACE LAYER
V. V. Azingareev
JSC «Krasnoyarsk Machine-Building Plant» 29, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation E-mail: [email protected]
The use of concentrated energy flow for modification of material surface layer by ion-plasma sputtering is considered.
Keywords: pulse plasma flows, ion beams, surface cleaning, ion-plasma sputtering.
Достаточно широкое применение для обработки поверхности при нанесении ионно-плазменного напыления получили различные виды импульсных концентрированных потоков энергии (КПЭ): импульсные потоки плазмы, лазерное излучение, импульсные электронные пучки, мощные ионные пучки. Привлекательность этих методов для предварительной обработки поверхности может быть основана, прежде всего, на эффекте «закалки» поверхностного слоя при больших скоростях нагрева и охлаждения (109-1011 К/с) при одновременной очистке поверхности от загрязнений, окислов и т. п. за счет их испарения при воздействии КПЭ на мишень. Однако эффективность очистки поверхности этими методами в силу их особенностей различна, прежде всего из-за различной степени экранирования падающего излучения потоками испаряющегося вещества. В наибольшей степени эффект экранирования (отражение, поглощение и рассеяние падающего излучения) сказывается при обработке поверхности лазерным излучением с относительно большими длительностями импульса (до нескольких десятков наносекунд при удельной импульсной мощности >106 Вт/см). При обработке поверхности импульсными мощными ионными пучками эффект экранирования практически отсутствует, прежде всего из-за значительной массы падающих частиц, которые слабо рассеиваются или поглощаются испаряющимся веществом.
При общем характере воздействия КПЭ (воздействие можно определить как быстрый импульсный нагрев плоским источником тепла) имеются существенные различия эффектов воздействия ионных и электронных пучков с одинаковой кинетической энергией частиц:
- при одинаковой начальной энергии частиц и длительности импульса облучения для достижения заданной температуры на поверхности мишени плотность электронного тока должна быть почти на два порядка выше, чем ионного;
- при электронном импульсном воздействии теплопроводность практически не влияет на распределение тепловой энергии в течение импульса длительностью 10-8_10-6 с, тогда как при импульсном ионном облучении (с той же длительностью импульса) вклад теплопроводности в формирование поля температур является существенным;
- при одинаковой кинетической энергии частиц и средней мощности энерговыделения в мишени, скорость ее охлаждения при ионном воздействии примерно на 2 порядка выше, а глубина проплавления значительно ниже, чем при электронном.
Однако при близких плотностях энергии (при сопоставимых глубинах пробега частиц в веществе) эффекты модифицирования материалов импульсными ионными и электронными пучками во многом аналогичны.
При обработке поверхности низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками (НСЭП) и мощными импульными ионными пучками (МИП) в поверхностных слоях мишеней на стадии облучения и высокоскоростного охлаждения протекают следующие процессы:
- удаление с поверхности легколетучих адсорбированных примесей на основе углеводородов;
- плавление материала поверхностного слоя;
- образование газоплазменного факела;
- нагрев подповерхностных слоев за счет теплопроводности;
Решетневскуе чтения. 2014
- фазообразование в условиях высокоскоростной кристаллизации;
- перераспределение элементов в перекристализо-ванной зоне;
- образование и распространение упруго-пластических волн, сформированных при термализации электронов и ударных волн при разлете газоплазменного облака;
- кратерообразование, обусловленное неоднородностью физико-химического состояния материала в поверхностных слоях мишеней [1].
Совокупность этих процессов определяет состояние поверхности, фиксируемое в зависимости от режимов электронно-лучевой обработки. Так, для плотности энергии НСЭП 1-3 Дж/см2 (Ео = 20-30 кэВ, длительность импульса т = 0,7-2,5 мкс) шероховатость поверхности уменьшалась от 0,23... 0,28 мкм до 0,05.. .0,07 мкм для жаропрочных титановых сплавов, и от 1,0.1,2 до 0,09.0,12 мкм для защитного покрытия из №&АУ. В поверхностном слое материалов, облученных НСЭП с плотностью энергии свыше 2,5.3 Дж/см, формируются остаточные растягивающие напряжения, что находит свое отражение в смещении рентгеновских линий в сторону меньших углов и в снижении значений микротвердости. При облучении НСЭП твердых сплавов систем WC-Co (ВК8, ВК10Х0М) и WC-TiC-Со (Т5К10, Т15К6) установлено, что специфика формирования поверхностных структур определяется плотностью энергии воздействия. С увеличением энерговклада в приповерхостных слоях активизируются процессы взаимного растворения карбидной и кобальтовой фаз. При этом эволюция поверхностей характеризуется образованием зеренных конгломератов и гомогенизацией поверхностных структур и сопровождается повышением микротвердости. Превышение пороговых значений плотности энергии приводит к образованию кратеров и микротрещин. В частности, для сплава ВК8 при плотности энергии электронного пучка Е > 2,7 Дж/см2 наблюдалось снижение микротвердости до Нц~1100 кг/мм2 (по сравнению с Нц = 1700 кг/мм2 при Е = 2 Дж/см2), что также связывалось со снижением сжимающих напряжений в карбидной фазе и образованием метастабильного (ГЦК). В случае технологического применения НСЭП для модифицирования
изделий отмечается необходимость проведения финишной термообработки для снижения остаточных напряжений в поверхностном слое.
Воздействие мощных ионных пучков (МИП) нано-секундной длительности с удельной мощностью W = 105 - 107 Вт/см2 характеризуется интенсивным нагревом поверхности в результате торможения ионов и последующим быстрым охлаждением ее за счет высокой теплопроводности материала. При этом процессы, происходящие в мишени, схожи с процессами, имеющими место при обработке поверхности НСЭП. Таким образом, применительно к модифицированию твердых сплавов воздействие мощных пучков на структуру можно охарактеризовать следующими эффектами:
- изменением дисперсности структурных составляющих сплава;
- изменением напряженного состояния фазовых составляющих и управления напряженным состоянием путем изменения плотности тока пучка и количества импульсов;
- перераспределением элементов примеси (С и О) как по глубине, так и в микрообъемах;
- изменением дефектной структуры и субмикро-пористости;
- инициированием аллотропного превращения в кобальте и изменением размеров зерен связующей фазы;
- повышением гомогенности структуры за счет интенсивных диффузионных процессов, способствующих перемешиванию компонентов сплава.
Библиографическая ссылка
1. Грибков В. А., Григорьев Ф. И., Калин Б. А., Якушин B. JI. Перспективные радиационно-пучковые технологии обработки материалов : учебник / под ред. Б. А. Калина. М. : Круглый год, 2005. 528 с.
Reference
1. Gribkov V. A., Grigoryev F. I., Kalin B. A., Yakushin V. L. Advanced radiation - beam technologies of materials processing : textbook / ed. by B. A. Kalin. M. : Krugly god, 2005. 528 p.
© Азингареев В. В., 2014
УДК 669
ПРИМЕНЕНИЕ ПРОЦЕССОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ГЕРМЕТИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ ПНЕВМОГИДРОСИСТЕМ
В УСЛОВИЯХ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ
А. А. Арефьев
ОАО «Красноярский машиностроительный завод» Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 29
E-mail: [email protected]
Использование компьютерных технологий моделирования процессов изотермической штамповки для деталей высокой надежности из алюминиевых сплавов. Исключение возникновения дефектов и пробных партий штамповок на стадии освоения.
Ключевые слова: изотермическая штамповка, условие сверхпластичности, моделирование процессов ОМД.
