авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Модификация свойств покрытий на основе ni и со, нанесенных методом плазменной детонации на стальные подложки

-- [ Страница 1 ] --

на правах рукописи

Прохоренкова Надежда Валерьевна

МОДИФИКАЦИЯ СВОЙСТВ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ Ni и Со, НАНЕСЕННЫХ МЕТОДОМ ПЛАЗМЕННОЙ ДЕТОНАЦИИ НА СТАЛЬНЫЕ ПОДЛОЖКИ

01.04.07 – физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Барнаул

2011

Работа выполнена

в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор

Гурьев Алексей Михайлович

доктор физико-математических наук,

профессор

Шаркеев Юрий Петрович

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук,

доцент

Алонцева Дарья Львовна

Ведущая организация Институт сильноточной электроники СО РАН,

г. Томск

Защита состоится 23 ноября 2011г., в 1100 на заседании диссертационного совета Д212.004.04 при Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656038, г. Барнаул, пр.Ленина,46

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова

Автореферат разослан « » 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Романенко В.В.

Примечание: отзывы на автореферат, заверенные печатью организаций, просим присылать в 2-х экз. на адрес университета.

ВВЕДЕНИЕ

Общая характеристика работы: диссертационная работа посвящена исследованию структурно-фазового состояния и механических свойств порошковых покрытий на основе Ni и Со, нанесенных методом плазменной детонации на стальные подложки и модифицированных облучением

Актуальность темы. В течение последних лет интенсивно исследовались и развивались технологии функциональной поверхностной обработки материалов с целью их расширенного промышленного применения, такие как плазменное нанесение защитных покрытий на поверхности различных материалов и модификация их свойств облучением. Большой интерес представляет защита металлов от коррозии при помощи изолирующих покрытий. Для изготовления коррозионно – устойчивых покрытий для деталей и агрегатов широко используются Ni и Со в сочетании с другими легирующими компонентами Дальнейшее совершенствование технологии нанесения и модификации покрытий на основе этих элементов значительно расширит области их применения. Для нанесения покрытий из тугоплавких материалов, с помощью которых можно получить покрытия высокого качества, используют метод плазменной детонации. Данная технология относится к ресурсосберегающим, что обусловлено низким расходом легирующих элементов и электрической энергии в сочетании с высокой производительностью. Метод плазменно-детонационного нанесения покрытий позволяет получать достаточно толстые покрытия, толщиной до 500 мкм. Основной недостаток таких покрытий – это их пористость. Для улучшения адгезии к подложке и изменения структуры покрытий используют их оплавление электронными пучками или повторный проход плазменной струи, но уже без порошка покрытия, есть опыт промышленной эксплуатации обработанного по данным технологиям оборудования.



Механические и физико-химические свойства облученных материалов определяются их структурно-фазовым составом, влияние облучения на фазовую стабильность достаточно сложное. В литературных источниках нет пока общего мнения о характере влияния электронного облучения и облучения импульсной плазменной струей на структурные и фазовые превращения в сплавах на основе Ni и Co, а так же о влиянии данных видов облучения на механические и физико-химические свойства данных материалов. Поэтому исследования структурно-фазовых превращений в сплавах на основе Ni и Co при облучении и изучение влияния происходящих структурно-фазовых изменений на механических свойства данных сплавов весьма актуальны.

Цель работы: исследование механических свойств и структурно- фазового состава порошковых покрытий на основе Ni и Со, нанесенных методом плазменной детонации на стальные подложки до и после их модификации облучением. А так же определение на основании сравнительного анализа полученных данных оптимальных параметров облучения для формирования покрытий с повышенной твердостью и коррозионной стойкостью.

Объектом исследований в диссертационной работе являлись порошковые покрытия на основе Ni и Co и стальные подложки. В плазменно-детонационной установке «Импульс-6» на подложке из углеродистой стали Ст 3 (Fe – основа, C - 0.25 %, Mn - 0,8 %, Si - 0,37 %, P < 0,045 %) формировались защитные покрытия толщиной от 80 до 300 мкм из порошковых сплавов на основе Ni: ПГ-19Н-01 (Ni-осн.; Cr -8…14 вес.%; B-2,3 вес.%; Si-1,2-3,2 вес.%; Fe-5 вес.%; C-0,5 вес.%) и ПГ-10Н-01 (Ni-осн.; Cr -14…20 вес.%; B-3,3 вес.%; Si-4,8 вес.%; Fe до 7 вес.%; С-0,8 вес.%), а также покрытие из порошкового сплава АН-35 на основе Со с добавками: Cr (8…32 %); Ni ( 3%), Si (1,7…2,5%), Fe ( 3%); C (1,3…1,7%) и W (4…5%). Для напыления применялся порошок с размером фракций от 56 до 260 мкм. В качестве материала подложки использовались стальные образцы размером 20x30х2 мм3. Порошковые покрытия осаждались в воздушной среде со следующими параметрами импульсно-плазменной обработки: расстояние от подложки до среза сопла плазмотрона 60 мм; скорость перемещения образца 360 мм/мин., частота следования импульсов 4 Гц (частота детонации). Мощность плазменной струи 5 МВт, средний диаметр струи на образце 25 мм, температура Tст=20006000 К. Длительность импульса 3 мкс. Для оплавления покрытия использовали повторный проход плазменной струи (без порошка) с частотой следования импульсов 2,5 Гц (от 1 до 2-х проходов) или облучение образцов со стороны покрытий в вакууме сильноточным электронным пучком (ток пучка 20, 25, 30 мА) на источнике «У-212» с ускоряющим напряжением 30 кВ в непрерывном режиме. Нанесение покрытий и их модификация проведены в СИМП (Сумы, Украина).

Предметом исследований в диссертационной работе являлась эволюция микроструктуры и свойств покрытий при комбинированных обработках и выбор режимов облучения, приводящих к модификации покрытий.

Задачи исследования:

  1. Провести исследование шероховатости поверхности покрытий и исследование структурно-фазового состава плазменно-детонационных покрытий на основе Ni (ПГ-19Н-01, ПГ-10Н-01) и на основе Co (АН-35) и их стальных подложек.
  2. Провести измерения микротвёрдости покрытий и подложек по глубине от поверхности покрытия, установить взаимосвязь параметров микроструктуры и фазового состава исследуемых покрытий и подложек с измеренной микротвёрдостью.
  3. Предложить схему строения покрытий, полученных методом плазменной детонации и провести численный эксперимент по расчётам распределения температурного профиля в данных материалах при электронном облучении.
  4. Провести исследование структурно - фазовых превращений, коррозионной стойкости, микротвердости и шероховатости данных покрытий и их подложек после непрерывного электронного и импульсного плазменного облучения, установить отличия по сравнению с теми же покрытиями до облучения.
  5. Разработать научно-обоснованные схемы комбинированной обработки покрытий и обосновать выбор режимов электронного облучения для повышения их качественных характеристик.

Методы исследования. Основными методами исследования были просвечивающая и сканирующая электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия (АСМ), рентгеноструктурный фазовый анализ (РСФА), рентгенофлуоресцентный анализ, оптическая микроскопия (металлография) и механические испытания (микротвёрдость).

Испытания на микротвердость проводили на приборе ПМТ 3. Металлографию исследовали на оптическом микроскопе Neoрhot 21. Осуществлена компьютерная обработка результатов испытаний с использованием стандартных программ статистической обработки и корреляционного анализа. Для изучения структурно-фазового состава образцов применяли рентгеновский дифрактометр XPertPRO. Исследования структуры поверхности и морфологии проводили на растровом микроскопе JSM-6390LV с энергодисперсионным спектральным анализатором INCA ENERGY, а так же на растровом электронном микроскопе Philips SEM 515 с микроанализатором EDAX ECON IV. Для спетрального флуоресцентного анализа использовался спектрометр СРВ-1. Топографию поверхности исследовали на атомно-силовом микроскопе NT-206. Исследования методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) проводили на JEM-2100. Для проведения коррозионных испытаний использовали потенциостат ПИ–50.1.1. Для создания программного приложения автоматизированного расчета распределения температурных профилей в металлических поглотителях при электронном облучении был выбран язык программирования Object Pascal (Delphi). Нанесение покрытий и их модификация проведены в Сумском институте модификации поверхности (Сумы, Украина).

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

  1. Для класса порошковых покрытий из аустенитных сплавов на основе Ni и Co, нанесенных методом плазменной детонации на стальные подложки проведено комплексное исследование взаимосвязи фазового состава и параметров микроструктуры с показателем прочности - микротвердостью.
  2. Установлен факт формирования наноструктур в плазменно-детонационных покрытиях на основе Ni и Со, и оценены параметры наноструктуры, формирующейся процессе нанесения покрытий.
  3. В покрытиях ПГ-19Н-01 и АН-35 экспериментально установлена пластинчатая морфология выделения упрочняющих интерметаллидных фаз, их объемная доля, тип и параметры их решеток.
  4. Предложена схема строения плазменно-детонационных покрытий и проведен численный эксперимент по расчету температурных профилей при электронном облучении покрытий на основе Ni. Даны научно-обоснованные рекомендации по выбору режимов электронного облучения для модификации покрытий на основе Ni.
  5. Исследована эволюция микроструктуры и свойств данных покрытий при комбинированных обработках.

Научная и практическая значимость результатов состоит:

  1. В установлении закономерности формирования наноструктур при нанесении порошковых покрытий методом плазменной детонации.
  2. В формулировании общих принципов формирования и конкретных путей реализации структур с улучшенными физико-механическими свойствами в плазменно-детонационных порошковых покрытиях ПГ-19Н-01, ПГ-10Н-01, АН-35. Полученные результаты носят общий характер и могут быть применены к широкому классу порошковых защитных покрытий.
  3. В возможности выбора оптимальных параметров комбинированных обработок для энергосберегающей технологии получения твердых и стойких к коррозии покрытий.

На защиту выносятся следующие основные положения:

  1. Экспериментально установленное явление выделения интерметаллидных фаз с пластинчатой морфологией в покрытиях ПГ-19Н-01 и АН-35, нанесенных методом плазменной детонации на стальную подложку и их характеристики (химический состав, тип и параметры решеток, размеры выделений, влияние на механические свойства покрытия)
  2. Результаты исследования морфологии поверхности плазменно-детонационных покрытий ПГ-19Н-01, ПГ-10Н-01 и АН-35, их структурно-фазового состава и микротвердости по глубине от поверхности.
  3. Результаты численного эксперимента по расчету температурных профилей в покрытиях на основе Ni при электронном облучении.
  4. Зависимость рельефа поверхности, структурно-фазового состояния и механических свойств плазменно-детонационных покрытий от типа дополнительного облучения.

Достоверность полученных в диссертации результатов и обоснованность научных положений подтверждается:

  • применением современных методов исследований (электронной просвечивающей и сканирующей микроскопии, атомно-силовой микроскопии, энергодисперсионного и рентгенофлуоресцентного анализа, рентгеноструктурного фазового анализа)
  • применением хорошо апробированных методов физического эксперимента;
  • корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью;
  • большим объемом экспериментальных и теоретических данных и их непротиворечивостью фундаментальным положениям физики конденсированного состояния.

Личный вклад автора состоит:





  • в участии в постановке задач, целей исследования и планировании эксперимента;
  • в проведении экспериментальных исследований тонкой структуры и механических свойств исследуемых сплавов;
  • в проведении расчетов температурных полей в двухслойных поглотителях Ni – Fe при электронном облучении;
  • в анализе полученных результатов, их обсуждении, в формулировании выводов диссертации.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были изложены и обсуждены на следующих научных конференциях: 5-ая Республиканская студенческая научно-техническая конференция “Студент и наука: творчество, инновации и перспективы”, Усть-Каменогорск, Казахстан, 2005 ; Одиннадцатая Всероссийская Научная Конференция Студентов –Физиков и Молодых Учёных – ВНКСФ-11, Екатеринбург, 2005; Международная школа - конференция молодых ученых «Физика и химия наноматериалов», Томск, 2005; Международная научно-практическая конференция “Аманжоловские чтения, Усть-Каменогорск, 2005; Международная конференция “Ядерная и радиационная физика”, Алматы, Казахстан, 2005; II Международная научно-практическая конференция «Состояние, проблемы и перспективы информатизации в Республике Казахстан», Усть-Каменогорск, 2005; ВНКСФ-12, Новосибирск, 2006; VII Республиканская студенческая научно-техническая конференция «Творчество молодых – инновационному развитию Казахстана», Усть-Каменогорск, 2007; ВНКСФ-13, Ростов на Дону – Таганрог, 2007; Международная научно-техническая конференция: «Роль вузов в формировании инновационной экономики», Усть-Каменогорск, 2008; VII Международная Российско- Казахстанско- Японская научная конференция «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов», Волгоград, 2009; 13-ый Междисциплинарный международный симпозиум «Упорядочение в минералах и сплавах» ОМА-13 Ростов-на-Дону, 2010; 10-я Международная конференция «Плёнки и покрытия - 2011» Санкт-Петербург, 2011; VIII Международная Российско- Казахстанско- Японская научная конференция «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов» Алматы, 2011; 7-я Международная конференция NEET, Закопане, Польша, 2011; 1th International Conference on Nanomaterials: Applications and Properties (NAP-2011), Алушта, Украина, 2011.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 26 работ, 3 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 16 статей в сборниках Международных конференций.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений. Она изложена на 153 страницах и иллюстрирована 73 рисунками, 25 таблицами. Список цитированной литературы включает 129 наименований.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Во введении обоснована актуальность и отмечена новизна работы, указана цель исследования, научная и практическая значимость полученных результатов. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе анализа литературных данных изложены современные представления о технологии нанесения порошковых покрытий методами плазменной детонации и о технологиях комбинированной обработки. Также рассмотрены материалы порошковых покрытий, их достоинства и недостатки. Проанализировано влияние облучения на фазовую стабильность, а также даны общие характеристики диаграмм состояния металлических систем Fe-Cr, Fe-Ni, Ni-Cr, Fe-Ni-Cr, Fe - Co. Проведён обзор работ о формировании наноструктур с повышенными физико-механическими свойствами при использовании плазменных технологий. На основании полного анализа литературных данных и с учетом актуальности обоснованы и сформулированы задачи исследования.

Во второй главе описаны материалы порошковых покрытий и стальной подложки, выбраны и описаны методики эксперимента.

Исследования микроструктуры проводили методами сканирующей электронной микроскопии на JSM-6390LV («JEOL», Япония) с приставкой энергодисперсионного анализа INCA ENERGY («Oxford Instruments», Великобритания), а так же на растровом электронном микроскопе Philips SEM 515 с микроанализатором EDAX ECON IV. Металлографию изучали с помощью оптического микроскопа Neophot-21 (Carl Zeiss Германия). Для спетрального флуоресцентного анализа использовался спектрометр СРВ-1 (ТОО «Техноаналит», Казахстан). Для изучения структурно-фазового состава покрытий применяли рентгеновский дифрактометр X’Pert PRO («PANalytical», Нидерланды). Топографию поверхности исследовали на атомно-силовом микроскопе NT-206 (Беларусь). Шероховатость поверхности оценивали согласно ГОСТ 2789-7. Сравнивали параметры шероховатости Ra - среднее арифметическое отклонение профиля для покрытий до и после комбинированной обработки. Испытания на микротвердость проводили на приборе ПМТ-3. Для проведения коррозионных испытаний использовали потенциостат ПИ–50.1.1. Оценивали потенциалы, токи и скорости коррозии в морской воде. Для имитации морской воды в ячейку наливали раствор NaCl 0.5Н (3%). Исследования методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) проводили на JEM-2100 («JEOL», Япония). Исследовали фольги из покрытия, предварительно механически утоненные и протравленные аргонными пучками в вакууме до образования сквозного отверстия на установке PIPS (Gatan, США) с энергией пучка 5 кэВ. Расшифровку микроэлектронограмм вели по стандартным методикам.

В третьей главе представлены результаты исследований морфологии поверхности плазменно-детонационных покрытий на основе Ni и Co, а так же механических свойств и структурно-фазового состава покрытий и их подложек. Был проведён топографический анализ серии образцов покрытий после их нанесения методом плазменной детонации, один из снимков, полученных методом АСМ, представлен на рис. 1 Среднее арифметическое отклонение профиля Ra для образцов с покрытием ПГ-10Н-01 составляет величину 95 нм, для образцов с покрытием ПГ-19Н-01 - 122 нм, для покрытия АН-35- 100 нм.

Методами рентгеноструктурного анализа определены типы и параметры решеток фаз покрытий и подложки (табл. 1). Для анализа изменения фазового состава покрытий по глубине, механически отделенные от подложки покрытия исследовали с двух сторон: со стороны поверхности и со стороны подложки. Таким образом, исследованы слои покрытия у поверхности (толщина анализируемого слоя до 50 мкм) и на глубине до 250-300 мкм от поверхности.

Рисунок 1 - Топографический анализ поверхности покрытия

ПГ-10Н-01



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:









 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.