CC BY
382. На основе предложенной модели определен оптимальный диапазон размеров частиц, обеспечивающий эффективный транспорт модификатора потоком газа. Нижний диапазон размеров частиц составляет 120нм, т.к. при меньшем размере частицы не вносятся в струю транспортирующего газа. При размере частиц более 150нм появляется вероятность образования такого дефекта как «включение». Соответственно размер частиц должен находиться в диапазоне 120-150нм.
3. В зависимости от количества частиц, которые были транспортированы потоком газа, определены рациональные технологические параметры (размер частиц, их средняя насыпная плотность) 3-х типов модификаторов для аустенитных сталей: вольфрам - 122нм, 15г/см3; молибден (Mo) - 127нм, 4г/см3; оксогидроксид алюминия ^Ю^^) - 150нм, 0,4г/см3. Т.е. количество частиц транспортированных потоком газа должно стремиться к максимуму.
Таблица 1
Рациональные технологические параметры частиц порошков-модификаторов
Порошок-модификатор Размер, нм Средняя насыпная плотность, г/см3 Расход, мг/м
вольфрам (W) 122 15 4
молибден (Mo) 127 4 4
оксогидроксид алюминия (AlO(OH)) 150 0,4 4
Список литературы
1. В.И. Мажукин, А.В. Шапранов, B.E. Пережигин. Математическое моделирование теплофизичес-ких свойств, процессов нагрева и плавления металлов методом молекулярной динамики // X International Seminar «Mathematical Models & Modeling in Laser-Plasma Processes & Advanced Science Technologies» -2012 - Vol XXIV - с. 47-65.
2. В.И. Мажукин, А.В. Шапранов. Математическое моделирование процессов нагрева и плавления металлов. Часть I. Модель и вычислительный алгоритм // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша - 2012 - № 31 - 27 с. URL: http://library.keldysh.ru/preprint.asp?id=2012-31.
3. В.И. Махненко. Перспективы развития математического моделирования и информационных технологий в сварке и родственных процессах // Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах: сборник трудов Международной конференции; ИЭС им Е.О. Патона, Киев, 2002 - с. 3-11.
1М.А. Кузнецов, 2Г.В. Шляхова, к.т.н., 1,3В.И. Данилов, д.ф-м.н., 1Е.А. Зернин,
к.т.н., 1С.В. Дементьев \<Юргинский технологический институт (филиал) ФГАОУ ВО «Национальный
исследовательский Томский политехнический университет», 2Северский технологический институт Национального исследовательского \ ядерного университета (МИФИ), Россия, Томская обл., г. Северск, |
3Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Россия
Структура поверхностных слоев модифицированных нанопорошком оксигидроксида алюминия
УДК 621.791.92:620.03
Введение
Механические, технологические, эксплуатационные свойства поверхносных слоев напрямую ] зависят от формы и размеров зерен, которые формируются в результате, кристаллизации [1, 2, |
3, 4, 5, 6, 7, 8]. Существенно повлиять на размер зерна можно модифицированием. Наибольший | эффект модифицирования достигается при введении в расплав мелкоразмерных частиц, с более
высокой чем у стали температурой плавления. В настоящее время перспективным методом модифицирования считается введение в наплавляемый металл нанодисперсных металлических и неметаллических порошков, приводящее к существенному повышению конструктивной прочности стали [9, 10, 11, 12, 13].
В работе рассматривается способ модифицирования поверхносных слоев наноструктури-рованными порошками оксигидроксида алюминия.
Методика проведения исследований
Для проведения экспериментальных
исследований были получены поверхностные слои сваркой плавящимся электродом в среде аргона образцов, изготовленных из стали аустенитного класса (12Х18Н10Т), проволокой сплошного сечение диаметром 1,2 мм.
Образцы изготавливались по двум технологиям: №1 - в среде аргона проволокой сплошного сечения; №2 - в среде аргона проволокой сплошного сечения с добавлением нанопорош-ка АЮ(ОН) в защитный газ с помощью разработанного авторами устройства, детальное описание которого приведено в [14]. Рациональ ная концентрация наноструктурированного
а
порошка в защитном газе рассчитывалась по методике, описанной в работе [15].
В каждом образце были изготовлены поперечные протравленные по режиму, описанному в [14], металлографические шлифы. Исследование структуры наплавленного металла проводилось методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) на микроскопе Solver PH47-PRO.
Результаты исследований и их обсуждение
Было установлено, что поверхностный слой состоит из двух подслоев, структура которых существенно различна. Основной микроструктурной составляющей первый, примыкающий к свободной поверхности, слой являются сравнительно короткие, сильно разветвленные и не имеющие преимущественной ориентации дендриты (рис. 1).
Профилограмма к 2D-изображению позволяет определить ширину границ дендритов, которая не превышает 300 нм. На 3 D -изображении (рис. 1, б) представлен общий вид коротких дендритов. Они действительно не
имеют ярко выраженной ориентации относительно направления тепловых потоков. Разветвления («отростки») дендритов в данном слое образца № 1 без модификатора имеют неболь шую длину (5...10 мкм) по сравнению с осевой длиной дендрита.
Наиболее ярко слой неориентированных дендритов выражен в образце № 2, модифици рованного наноструктурированным порошком А10(0Н) (рис. 2). При этом если в образце без модификатора дендриты образуют практически непрерывную сетку, то в образце, модифициро ванным наноструктурированным порошком А10( ОН), наблюдаются островки свободной поверхности, где выделить границы зерен не удается.
Использование атомно-силовой микроскопии показало, что ширина границ дендиртов в образце № 2, модифицированного наноструктурированным порошком А1О(ОН) такая же как и в образце № 1 без модификатора (рис. 2, а). Только в узлах, где соприкасаются соседние дендриты она увеличивается до 1 мкм.
а
Общий вид и ориентация коротких дендри-тов в данном слое образца №2, модифицированного наноструктурированным порошком AlO( OH) (рис. 2, б) аналогичен общему виду дендритов в образце №1 без модификатора.
Слой сравнительно коротких, сильно разветвленных и не имеющие преимущественной ориентации дендритов плавно переходит в следующий слой ориентированных дендритов.
Ориентация длинных осей дендритов в рассматриваемом слое нормальна к
границе сплавления - вдоль направления теплового потока в основной металл.
Вблизи границы сплавления в образце №1 без модификатора они образуют полосы, разделенные промежутками свободной поверхности, где границы зерен не выявляются (рис. 3). В каждой полосе длинные оси дендри-тов практически параллельны, а разветвлен-ность отсутствует.
III ШЛИ 20 15 30 40 -45
В образце № 2, модифицированного нанос-труктурированным порошком AlO(OH), полосы дендритов не наблюдаются, но и здесь отчетли во выражена параллельность длинных осей дендритов (рис. 4).
Выводы
1. Установлено, что применение нанос-труктурированного порошка оксигидроксида алюминия обеспечивает модифицирование поверхностных слоев.
2. Определено, что при введении в поверхностный слой наноструктурированных порошков AlO(OH) реализуется наивысший эффект модифицирования системы Fe - ^ N - ^ и повышаются его эксплуатационные свойства. Это объясняется формированием в расплаве дополнительных центров кристаллизации.
3. Применение в качестве модификатора наноструктурированного порошка AlO (OH) обеспечивает более равновесную структура
10 15 » г? „„ Л А* 40 45 »
Рис. 3. АСМ 2D-изображение (а) и АСМ 3D-изображение дендритов во втором слое образца № 1
V""
а
б
поверхностных по размеру дендритов.
Рис. 4. АСМ 2D-изображение (а) и АСМ 3D-изображение дендритов во втором слое образца № 2
Списоклитературы
1. Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. - 3-е., издание., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 648 с.: ил.
2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов: Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1977. -408 с.
3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. - 3-е изд., перераб. и доп. -М: Машиностроение, 1990. - 528 с. ил.
4. Лившиц Л.С. Металловедение для сварщиков (сварка сталей). - М.: Машиностроение, 1979. - 253 с.
5. Il'yaschenko D.P., Chinakhov D.A., Danilov V.I., Schlyakhova G.V. and Gotovshchik Yu M 2015 IOP Conference Series: Materials Science and Engineering Physical Nature of the Processes in Forming Structures, Phase and Chemical
Compositions of Medium-Carbon Steel Welds 91 pp
6. Il'yaschenko D.P., Chinakhov D.A., Danilov V.I., Schlyakhova G.V. and Gotovshchik Yu M 2015 IOP Conference Series: Materials Science and Engineering Increasing Strength and Operational Reliability of Fixed Joints of Tubes by MMA Welding 9 1 p p http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/91/1/012007/pdf.
7. Pavlov N.V., Kryukov A.V., Zernin E.A. and Gritsenko V.V. 2015 IOP Conference Series: Materials Science and Engineering Systems to Control Molten Metal Transfer in Arc Welding 91 pp http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/91/1/012021/pdf.
8. Кузнецов М.А., Карцев Д.С., Журавков С.П., Баранникова С.А. 2015 Технологии и материалы Структурообразование и коррозионная стойкость сварных соединений из стали аустенитного класса 1 с. 18-24.
9. Соколов Г.Н., Трошков А.С., Лысак И.В., Самохин А.В., Благовещенский Ю.В., Алексеев А.Н., Цветков Ю.В. Влияние нанодисперстных карбидов WC и никеля на структуру и свойства наплавленного металла. // Сварка и диагностика. - 2011. - №3. Материаловедение.- с. 36-38.
10. Соколов Г.Н., Лысак И.В., Трошков А.С., Зорин И.В., Горемыкина С.С., Самохин А.В., Алексеев А.Н., Цветков Ю.В. Модифицирование структуры наплавленного металла нанодиспер-сными карбидами вольфрама. // Физика и xимия обработки материалов. - 2009. - №6. - с. 41 - 47.
11. Еремин Е.Н. Применение наночастиц тугоплавких соединений для повышения качества сварных соединений из жаропрочных сплавов. // Омский научный вестник. - 2009. -№3. - с. 63-67.
12. Коберник Н.В., Михеев Р.С., Панкратов А.С., Линник А.А. Модифицирование наплав- ^ ленного металла наноразмерными частица- ^ ми карбида вольфрама с целью повышения * эксплуатационных свойств сварных соедине- в. ний. // Инженерный вестник. - 2013. - №4. - с. ^ 9-12. ^
13. Кузнецов М.А., Зернин Е.А., Колмого- ■ ров Д.Е., Шляхова Г.В., Данилов В.И. Строе- * ние, морфология и дисперсность металла, наплавленной дуговой сваркой плавящимся электродом в аргоне в присутствии нанос- § труктурированных модификаторов // Сварка и В диагностика. - 2012. - №6. - С. 8-10. §5 14. Kuznetsov M.A., Barannikova S.A., ^ Zernin E.A., Filonov A.V., Kartsev D.S. 2015
