Формирование поверхностного слоя из переходных металлов на тантале и сталях при воздействии электрических разрядов

• Автор: Пячин, Сергей Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Хабаровск
• Количество страниц: 162 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Формирование поверхностного слоя при электроискровом
легировании
1 Л. Электроискровое легирование поверхности металлов
1.1.1. Сущность метода ЭИЛ
1.1.2. Механизмы формирования электроискровых покрытий
1.1.3. Анализ данных по ЭИЛ переходными металлами
1.2. Диффузионные процессы в бинарных системах
1.2.1. Общие положения взаимной диффузии в бинарных системах
1.2.2. Диффузия металлов при импульсном воздействии на материалы
1.2.3. Диффузия чистых переходных металлов при электроискровом легировании
1.3. Плавление и конвективный механизм жидкофазного легирования
1.3.1. Расчет плавления металлов концентрированным потоком энергии
1.3.2. Конвективное перемешивание
1.4. Постановка задачи
ГЛАВА 2. Исследование кинетики массопереноса при электроискровом легировании переходными металлами IV - VI групп тантала и
стали
2.1. Методика исследования кинетики массопереноса
2.2. Измерение вольтамперных характеристик электрических разрядов
2.3. Результаты исследования кинетики массопереноса при электроискровом легировании
ГЛАВА 3. Исследование диффузионных процессов по результатам рентгеноспектрального микроанализа

З. І. Электронно-зондовый микроанализ
3.2. Исследование структуры поверхностного слоя на тантале и сталях после ЭИЛ
3.3. Анализ распределения металлов в поверхностных слоях образцов
3.4. Определение коэффициентов диффузии в переходной зоне «покрытие - основа»
3.5. Выводы
Г ЛАВА 4. Исследование процесса фазообразования при электроискровом легировании переходными металлами на воздухе
4.1. Метод исследования фазового состава поверхности
4.2. Рентгенофазовый анализ поверхности электродов после ЭИЛ
4.3. Количественное соотношение фаз
4.4. Выводы
ГЛАВА 5. Основные положения модели формирования покрытия при электроискровом воздействии
5.1. Механизм формирования поверхностного слоя
5.2. Количественная оценка неравновесности системы при электроискровом легировании
5.3. Основные уравнения модели
5.4. Кинетические коэффициенты уравнений массопереноса
5.4.1. Скорости привеса катода и убыли анода
5.4.2. Оценка эрозионной стойкости металлов
5.5. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными
5.6. Выводы
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время интенсивно исследуются процессы, возникающие при воздействии па твердые тела концентрированных потоков энергии (КПЗ), таких как электронный луч, лазерное излучение, поток низкотемпературной плазмы и т.п. в диапазоне плотностей мощности 10® + 1013 Вт/м2 [1-3]. Эти исследования не только не исчерпали всех проблем в данной области, а скорее поставили ряд новых задач, решение которых важно не только в научном, но и практическом аспекте. Взаимодействие КПЗ с материалами приводит к различным физико-химическим явлениям, связанным с изменением геометрических размеров и формы тел, со структурными и фазовыми превращениями в зоне воздействия и прилегающей зоне термического влияния. Одним из видов КПЗ является импульсное воздействие электрических разрядов, возникающих между двумя электродами в газовой среде. Оно послужило основой для технологии получения покрытий на металлах, которая носит название электроискрового легирования (ЗИЛ).
Со времени появления метода ЗИЛ (40-ые годы нашего столетия), исследователи пытаются объяснить происходящие при этом процессы, привлекая знания из разных областей науки: физики, химии, механики и т.д. Результатом таких изысканий становятся теоретическое осмысление процесса ЗИЛ [4]. Отметим, что модель электроискрового легирования, позволяющая управлять параметрами процесса, до сих пор не создана. С другой стороны, отсутствие такой модели ЗИЛ не позволяет в достаточной мере контролировать и прогнозировать свойства получаемых покрытий.
Ясно, что формирование поверхностного слоя на катоде связано, с явлениями переноса атомов. Это, прежде всего, диффузия и перемешивание вещества, находящегося в жидком состоянии. Теоретические исследования перераспределения атомов металлов в покрытиях проведены, в основном, для лазерной обработки материалов, и слабо представлены в работах по ЗИЛ. Поэтому исследование формирования покрытия на катоде при

лиморфных превращений в металлах под действием внешнего источника. Например, аналогичные уравнения применялись для расчета температур и термических напряжений при закалке стали [105] и для изменения структуры и фазового состава под действием лазерного излучения [106].
1.3.2. Конвективное перемешивание
При импульсном воздействии КПЭ миллисекундного и микросе-кундного диапазона на материалы обнаружен перенос элементов на всю глубину проплавленной зоны, которая на несколько порядков превосходит характерную длину диффузии примесей в расплаве [107]. Авторы считают, что причина этого явления заключается в возникновении конвекции в расплаве. В работе [108] предполагается, что при импульсном воздействии лазерного излучения к перемешиванию расплава могут приводить силы давления паров металла. В ней представлены результаты численных расчетов самосогласованных уравнений гидродинамики и теплопроводности с учетом испарения металла с поверхности расплава. Вычисления показали, что движущийся поверхностный слой жидкости после удара о непроницаемую стенку в основном устремляется вверх. Торможение жидкости происходит за счет поверхностного натяжения, и далее вся жидкость начинает совершать колебательные движения (нелинейные капиллярные волны). Проведенные расчеты показывают, что эффективное перемешивание расплава без выплеска происходит в достаточно широком диапазоне параметров за время, меньшее 1 мс.
Механизм конвективного легирования расплавленных поверхностных слоев металлов, образующихся при импульсном воздействии плазменных струй, рассмотрен в работе [109]. При обработке металлов с интенсивностью выше определенных значений на облучаемой поверхности наблюдалось формирование рельефа в виде упорядоченных впадин и валов. Приведены согласующиеся с экспериментальными данными оценочные расчеты длины волны поверхностной периодической структуры и времени оборота вихрей.