Особенности структурной организации композиции покрытие - металлическая основа при экстремальном тепловом воздействии

Особенности структурной организации композиции покрытие - металлическая основа при экстремальном тепловом воздействии

Автор: Крейнин, Сергей Викторович

Шифр специальности: 05.16.09

Научная степень: Кандидатская

Год защиты: 2010

Место защиты: Ростов-на-Дону

Количество страниц: 237 с. ил.

Артикул: 4881664

Автор: Крейнин, Сергей Викторович

Стоимость: 250 руб.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение.
1. Современное состояние вопроса и оценка перспектив исполь зования скоростного лазерного нагрева для целей термической обработки покрытий . Постановка задачи исследования
2. Методические основы исследований. Метрологическое обес печение экспериментов.
2.1. Метрологическое обеспечение экспериментов
2.2. Методика металлографических исследований лазерно
облученного металла
2.3. Автоматический анализ структуры покрытий после ла
зерной обработки с использованием программы Система КОИ
2.4. Методика рентгеноструктурньтх исследований металла
после лазерного облучения
2.5. Методика исследований зон лазерной обработки ЛО с
использованием сканирующего зондового микроскопа СЗМ, работающего в режиме атомносилового микроскопа АСМ
2.6. Методика статистического моделирования и прогнози
рования свойств лазернооблученного металла
2.7. Устойчивость к разупрочнению при нагреве лазерно
облученного металла и методика ее определения
2.8. Износостойкость и методы ее определения
2.9 Методика нанесения легирующих покрытий на поверх
ность изделий при легировании с использованием лазерного излучения
3. Выбор состава исследуемых покрытий, основные положения процесса лазерной химикотермичсской обработки
4. Теплофизические особенности процессов, протекающих в по
крытиях при их поверхностной обработке с гипервысокими скоростями. Численное моделирование тепловых процессов.
5. Особенности организации структуры композиции химиче
ские и гальванические покрытия металлическая подложка
в процессе лазерного оплавления покрытий
5.1. Структура химических i покрытий до и после объ
емного нагрева.
5.2. Морфология зон пятна лазерного облучения химиче
ских покрытий i.
5.3. Роль диффузии и массопереноса в создании структур
ной картины композиции покрытие основа при обработке КПЭ
5.4. Структурные особенности процесса лазерного микроле
гирования химических покрытий
5.5. Основные свойства i химических покрытий после
лазерного облучения
5.6 Экспериментальные исследования хромовых и цинко
вых покрытий на сталях и цветных сплавах после лазерного оплавления.
6 Основные положения структурного механизма упрочнения
поверхностных слоев сгалей и сплавов при лазерном легировании из композиционных покрытий разного состава
6.1. Особенности организации структуры поверхностных
слоев материалов при лазерном легировании из порошковых покрытий.
6.2 Лазерное легирование сталей и сплавов из покрытий,
полученные электроискровым легированием поверхности
6.3. Влияние энергетических характеристик процесса на
эффективность лазерной обработки покрытий, полученных ионноплазменным напылением
7 Повышение качества поверхностных слоев твердых сплавов и
керамики за счет лазерного контактного жидкофазного спекания и легирования.
8 Технологические принципы лазерного поверхностного леги
рования деталей машин и инструмента.
8.1. Рекомендации по выполнению технологического про
цесса лазерного легирования.
8.2 Производственные испытания упрочненного инстру
мента и технологической оснастки
Заключение.
Библиографический список.
Приложения.
ВВЕДЕНИЕ
Разработка и промышленное освоение новых методов поверхностной упрочняющей обработки и легирования позволяет создавать материалы, сочетающие износостойкую поверхность нанесенного покрытия и металлическую основу с заданным условиями эксплуатации уровнем свойств, что существенно повышает надежность и работоспособность изделий из инструментальных и конструкционных материалов, позволяет сократить затраты на производство и приобретение инструмента и деталей машин, увеличить производительность труда, улучшить качество механической обработки, уменьшить расход высоколегированных сталей и т.д.
Существующие и промышленно освоенные методы нанесения покрытий имеют как достоинства, так и недостатки недостаточная прочность сцепления покрытия с основой, пористость покрытия, высокий уровень остаточных напряжений и др., которые существенно снижают возможность их применение.
Если термическая обработка покрытий производится при объемном нагреве изделий, то одновременно в структуре стальной основы происходит фазовая перекристаллизация, может укрупняться зерно, при длительном термическом воздействии выгорают легирующие элементы покрытия. Это приводит к уменьшению твердости покрытий и снижению трещиностойкости изделия в целом.
Совершенствование продукции машиностроения затруднено без применения новых прогрессивных технологических процессов, позволяющих уменьшить или устранить перечисленные выше недостатки, повысить надежность, обеспечить работоспособность деталей машин и инструмента в самых жестких условиях эксплуатации, при высоких температурах и в агрессивных средах. Этим вызвано расширяющееся применение упрочняющих технологий в ведущих отраслях машиностроения и широкие исследования, проводимые в нашей стране в области разработки новых способов и технологий нанесения и поверхностной тепловой обработки покрытий.
Проведение термической обработки покрытий без деградации структуры и ухудшения основных свойств металлической основы изделий возможно лишь при воздействии на поверхность концентрированных потоков энергии КПЭ, в частности, импульсного лазерного излучения.
В основе импульсной лазерной обработки лежит использование для нагрева покрытий и металлических материалов тепловых источников высокой энергонасыщенности, плотность мощности которых составляет сотни МВтм, а время действия не выходит за пределы миллисекундного диапазона. При этом достигаются гипервысокие 6 градс скорости нагревания до закритических температур при наличии значительных температурных градиентов по глубине, обеспечивающих за счет отвода тепла в холодную массу по механизму теплопроводности охлаждение со скоростями Сс.
Лазерная технология обработки покрытий обладает большими технологическими возможностями. Регулируя параметры энергетического воздействия, а также толщину, состав и состояние нанесенных покрытий можно добиться заданного распределения температур по сечению изделий и регулировать структуру как покрытия, так и переходной зоны и прилежащего к покрытию слоя металлической основы изделий в соответствии с требованиями условий эксплуатации и конструктивнотехнологическими характеристиками облучаемых деталей машин и инструмента.
Общим требованием к условиям формирования структуры материалов композиции покрытие несущая основа при лазерной обработке является одновременное формирование структуры материала покрытия в виде твердых фаз в высоколегированной матрице, несущей основы изделий с заданным уровнем свойств и создание контактной зоны основного металла и покрытия со сглаженным структурным переходом за счет протекания взаимной диффузии компонентов покрытия и подложки, что обеспечивает высокую адгезию и снижает пики внутренних напряжений. Кроме того, в процессе скоростного лазерного облучения коагулируют и завариваются поры, происходит релаксация внутренних напряжений в покрытиях с одновременным от
пуском или неполной закалкой тонкого, прилежащего к покрытию слоя металлической основы.
Исследования, проведенные в течение последних лет ведущими учеными Рэди Дж., Рыкалиным , Угловым , Кокорой А.Н., Миркиным Л.И., Кришталом , Григорьянцем А.Г., Сафоновым А.Н., Коваленко , Веденовым , Зуевым И.В., Крапошиным , Тушинским Л.И., Пустовойтом В, Бровер Г.И., Домбровским Ю.М., Кудряковым О.В., Варавка В.Н. и др., позволили установить, что природа упрочнения металлических материалов после воздействия лазерного излучения обусловлена уникальной морфологией сосуществующих фаз и особым способом структурной организации, в частности, повышенной плотностью дефектов кристаллического строения, дисперсностью блоков, концентрационной неоднородностью и т.д. Это обеспечивает аномально высокую твердость обработанных поверхностей ,5 ГПа, а также оказывает положительное влияние на основные эксплуатационные свойства теплостойкость, износостойкость, сопротивление процессам схватывания, коррозионную стойкость.
В настоящее время способы термической обработки и микролегирования поверхности материалов с использованием высококонцентрированных потоков энергии распросгранены недостаточно широко.
Следует отметить, что важнейшей чертой современного этапа развития технологии поверхностной упрочняющей обработки является переход от стадии накопления данных и их эмпирической обработки к стадии управляемого получения заданных структур и свойств разных материалов и покрытий в строго контролируемых условиях. Это становится возможным лишь после глубокого анализа механизмов, лежащих в основе этих процессов.
Актуальность


Несмотря на отрывочный и в некоторых случаях противоречивый характер имеющихся в литературе данных по воздействию источников КПЭ на структуру и свойства сталей и сплавов, процесс скоростного поверхностного упрочнения находит применение с целью повышения износостойкости ряда изделий вырубных штампов, режущего инструмента, контактных поверхностей металлических уплотнений и др. Заметное повышение работоспособности деталей машин, инструмента и технологической оснастки достигается проведением поверхностного легирования рабочих кромок и поверхностей из различных покрытий с использованием КПЭ. Но, несмотря на заметный прогресс в области технологии покрытий для деталей машин и инструмента обозначился ряд проблем, решение которых возможно лишь на основе глубокого понимания физической сущности влияния покрытий на стойкость изделий, что тормозит дальнейшее целенаправленное развитие технологий поверхностного упрочнения и легирования изделий различного функционального назначения. Возникают трудности и рационального применения упрочненных деталей машин и инструмента. Следует отметить, что процессы химикотермической обработки легированных сталей по сравнению с углеродистыми затруднены, вопервых, тем, что легированные стали имеют значительно меньший коэффициент теплопроводности, и, как следствие, меньшую глубину упрочненного слоя и вероятность диффузии легирующих элементов в облучаемые участки. Несмотря на долгую историю развития лазерной технологии ряд аспектов взаимодействия лазерного излучения с металлами еще недостаточно изучен, в частности, такие вопросы, как аномальный массоперенос и ускоренная диффузия легирующих элементов в металлах, а таюке особенности нагрева системы покрытие подложка при импульсном лазерном воздействии остаются открытыми. Теоретические и экспериментальные исследования в этой области не дают полных представлений о закономерностях протекания этих процессов и причинах, вызывающих их, так как взаимодействие лазерного излучения с металлами и покрытиями является многофакторным процессом. О возможности проведения процесса легирования с использованием КПЭ указывается в ряде работ . Отмечаются также основные предпосылки высокой эффективности процесса насыщения поверхностных слоев металла при скоростной высокотемпературной обработке . Это связано с тем, что если при обычном нагреве, воздействующем на молекулу вещества целиком, сильнее всего раскачиваются и разрываются наиболее слабые атомные связи, то есть термические реакции идут по каналу с наименьшей энергией активации, то реакции, стимулированные источниками КПЭ, могут идти по любому каналу, что приводит к разрыву даже самой прочной связи. В итоге активными становятся те группы атомов, которые при обычном нагреве никогда не вступают во взаимодействие. Кроме того, при нагреве КПЭ предполагается действие специфического механизма. В этих условиях основная масса легирующего элемента распространяется в зоне воздействия КПЭ под действием гидродинамических сил и температурных градиентов, а в результате диффузии часть вводимого элемента как бы рассасывается по всему объему зоны 6, 9. Успешное совершенствование способов поверхностного упрочнения сталей и сплавов путем обработки концентрированными потоками энергии КПЭ лазерным импульсным и непрерывным излучением, плазменной дугой, электронным лучом и др. Можно выделить следующие каналы диссипации внешней энергии лазерного излучения непосредственная диссипация части подводимой энергии в тепло при движении дефектовносителей пластической деформации частичная диссипация запасенной энергии при перестройках дефектных структур. Отсюда возможны два подхода к повышению срока службы изделий под внешним воздействием повышение предела нечувствительности и, напротив, улучшение приспосабливаемости материала к температурносиловым условиям эксплуатации. Первый заключается в создании при лазерной обработке таких структур поверхностных слоев материалов, которые были бы стабильны при последующем внешнем воздействии в процессе эксплуатации. Второй предусматривает создание структур, способных эффективно рассеивать подводимую энергию в момент появления пика напряжений с помощью преобразований на различных структурных уровнях.

Рекомендуемые диссертации данного раздела

28.06.2016

+ 100 бесплатных диссертаций

Дорогие друзья, в раздел "Бесплатные диссертации" добавлено 100 новых диссертаций. Желаем новых научных ...

15.02.2015

Добавлено 41611 диссертаций РГБ

В каталог сайта http://new-disser.ru добавлено новые диссертации РГБ 2013-2014 года. Желаем новых научных ...


Все новости

Время генерации: 0.199, запросов: 232