Структура и свойства поверхностно-модифицированных слоев из сплава с памятью формы на основе никелида титана

• Автор: Степаненко, Майя Александровна
• Шифр специальности: 05.02.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Краснодар
• Количество страниц: 205 с. : ил.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Развитие перспективных материалов и технологий связано с активной разработкой широкого класса новых материалов и сплавов специального назначения, в том числе сплавов с эффектом памяти формы (ЭПФ) системы 77Л7. Сочетание специальных (функциональных) свойств памяти формы никелида титана с высокими показателями механических характеристик нашли как уникальное, так и широкое практическое применение при создании устройств, длительно работающих в условиях циклических и ударных воздействий, интенсивного изнашивания и коррозионных сред. Однако высокая стоимость сплавов Г/М сдерживает их использование в тех отраслях производства, где наряду с нетривиальными возможностями материалов важна экономическая целесообразность.
В этой связи актуальным становится создание ресурсосберегающих технологий на основе методов поверхностного модифицирования сплавами с ЭПФ на основе никелида титана, а также исследование структурно-механических и функциональных свойств получаемых композиционных материалов. Разработки подобных композитов, как правило, ведутся в области медицины, структурной биоинженерии, микроэлектромеханических систем и относятся, в основном, к тонким функциональным пленкам и волокнам с памятью, выполняющим адаптивные, сенсорные и актуаторные функции. Для нужд машиностроения в большей степени представляет интерес создание массивных поверхностно-модифицированных слоев из сплавов на основе никелида титана в виде покрытий, способных работать в сложных условиях нагружения. Несмотря на обширные исследования структуры, свойств и применений Г/М-группы сплавов, вопросы, касающиеся разработки и изучения создаваемых из них покрытий до сих пор остаются открытыми. Одним из перспективных направлений использования функциональных материалов с поверхностно-модифицированным Г/М-слоем является обеспечение функционально-механических свойств разъемных
соединений деталей машин, в которых ЭПФ слоя сплава 77Л7 используется для получения гарантированной посадки с натягом.
Связь работы с научно-техническими программами. Работа выполнена в соответствии с координационным планом НИР на 2001-2005 гг. КубГТУ "Конструктивно-технологические методы повышения долговечности деталей машин, работающих в сложных условиях нагружения" по теме "Повышение долговечности деталей машин с помощью поверхностного модифицирования материалами с эффектом памяти формы" (6.5.2.01-05), а также по НИР "Повышение долговечности деталей машин с помощью создания поверхностных само-организованных структур с памятью формы" подпрограммы Министерства образования РФ "Производственные технологии" (201.01.01.115) 2001-2002 гг. и по НИР "Повышение функционально-механических свойств сталей путем создания поверхностных слоев из материалов с эффектом памяти формы" в рамках программы РНП.2.1.2.4958 (02.14.80) 2006-2008 гг. при поддержке Министерства образования и науки РФ.
Цель работы - исследование особенностей структурообразования и свойств материалов с поверхностно-модифицированным слоем из сплава с памятью формы на основе никелида титана, сформированным при лазерном воздействии, с целью обеспечения функционально-механических свойств деталей. Наиболее важные задачи исследования:
исследовать теплофизические и технологические особенности организации структуры Г/М'-покрытия в условиях процесса его формирования; разработать технологию поверхностного модифицирования конструкционных сталей сплавом с ЭПФ (77Л7);
- оценить корреляционные связи структуры и свойств материала «сталь-сплав Г/М» на различных этапах поверхностного модифицирования; разработать конструктивно-технологические способы обеспечения заданных функционально-механических свойств деталей с использованием поверхностно-модифицированных материалов.
Объект исследования представляют металлические материалы (стали), содержащие поверхностно-модифицированный слой из сплава с ЭПФ (НМ). Предметом исследования являются особенности структурообразования покрытий из сплава Г/М и их функционально-механические свойства.
Методология и методы проведенного исследования. Методы исследования, использованные в данной работе, базируются на основных положениях металловедения мартенситных превращений, механики разрушения, неравновесной термодинамики и фрактального материаловедения, технологии машиностроения, математико-статистического анализа.
Научная новизна.
Получено численное решение тепловой задачи процесса импульсной лазерной наплавки сплава никелида титана НМ с определением температурных условий структурной организации поверхностного слоя. Разработаны статистические модели технологических параметров процесса импульсной лазерной наплавки, позволяющие оптимизировать структурно-механические свойства слоя сплава ИМ.
Предложен механизм усталостного разрушения материала с 77Д7-покрытием, полученным в условиях лазерного воздействия, на основе использования структурно-энергетического критерия циклической долговечности.
- Установлены статистические закономерности, позволяющие прогнозировать свойства поверхностно-модифицированного слоя сплава Г/М, с помощью мультифрактальной оценки структурных параметров и основных корреляционных связей технологического наследования.
Практическая значимость.
Произведена оптимизация режимов комплексного термомеханического цикла поверхностного модифицирования сталей сплавом Г/М, что позволяет обеспечить реализацию эффектов памяти формы слоя сплава Г/М для получения разъемных соединений деталей.
ного уровня надежности обеспечить новые функциональные свойства традиционных соединений деталей машин. Функциональные возможности модифицированного слоя сплава с ЭПФ используются для получения гарантированной посадки с натягом между соединяемыми деталями. Первые разработки в этой области касались разъемных соединений типа вал-втулка [91, 92]. На примере технологии изготовления составных коленчатых валов [93] (Ж.М. Бледнова, Д.Г. Будревич, М.И. Чаевскнй) показана возможность соединения с помощью слоя сплава с ЭПФ щек кривошипов с коренными и шатунными шейками. С использованием сплава с ЭПФ разработана принципиально новая конструкция компенсатора трубопроводов [94], герметичность соединения патрубков и втулок которого с возможностью последующей разборки-сборки обеспечивается за счет соединения сплавом с ЭПФ. Материалы с ЭПФ использовались в соединениях цилиндрических деталей одного диаметра, в частности, при изготовлении разборного тонкостенного сосуда давления (Ж. М. Бледнова, И.С. Мышевский), а также его упрочнении с помощью установки на цилиндрическую часть оболочки колец из сплава с ЭПФ [95].
Таким образом, разработка методов поверхностного модифицирования сплавами с ЭПФ является перспективным для создания новых разъемных соединений деталей машин. В качестве одной из задач настоящего исследования является реализация поверхностного модифицирования для создания функциональных материалов с памятью. Общая постановка задач и методов исследования для достижения цели диссертационной работы может быть представлена в виде развернутой структурной схемы (Рис. 1.22).
Системность поверхностного модифицирования сплавами с ЭПФ препо-лагает взаимосвязь структуры и свойств получаемых покрытий. В соответствии с этим элементы схемы основаны на способах управления структурой и свойствами, их оптимизации, и обуславливают достижение особой структурной организации и обеспечение нового уровня функционально-механических свойств поверхностно-модифицированных материалов.