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 |

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

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Степаненко Майя Александровна

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА

ПОВЕРХНОСТНО-МОДИФИЦИРОВАННЫХ СЛОЕВ

ИЗ СПЛАВА С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ НА ОСНОВЕ

НИКЕЛИДА ТИТАНА

Специальность 05.02.01 – «Материаловедение (в машиностроении)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Краснодар – 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО "Кубанский государственный технологический университет"

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Бледнова Жесфина Михайловна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Крапошин Валентин Сидорович;

доктор технических наук, профессор

Бровер Галина Ивановна

Ведущая организация: Институт Машиноведения

им. А.А. Благонравова РАН, г. Москва

Защита диссертации состоится 22 декабря 2006 г. в 16:00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.100.02 в Кубанском государственном технологическом университете по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2, ауд. А229

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета

Автореферат разослан « 20 » ноября 2006г.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2, КубГТУ, диссертационный совет Д 212.100.02

Ученый секретарь

диссертационного совета,

канд.техн.наук, доцент Пунтус А. В.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В настоящее время развитие индустрии сплавов с эффектом памяти формы (ЭПФ) и ее рост связан как с разработкой новых технологий получения, так и использования в различных областях техники. Среди сплавов с ЭПФ интерметаллид никелид титана (TiNi) обладает бльшим обратимым формоизменением и высокими физико-механическими и технологическими свойствами. Несмотря на то, что использование материала с ЭПФ в машиностроении имеет большие перспективы, экономически нецелесообразно из-за высокой стоимости самого материала использовать сплав TiNi как конструкционный материал. В этой связи создание ресурсосберегающих технологий путем поверхностного модифицирования сплавами с ЭПФ на основе никелида титана и исследование структурно-механических и функциональных свойств получаемых композиций является актуальной задачей.

Уникальные возможности TiNi-композитов, связанные с проявлением эффектов памяти, уже успешно реализованы при создании ряда устройств и техники нового поколения аэрокосмического назначения, в приборостроении, электронике, медицине, биотехнологиях и относятся, в основном, к тонким функциональным пленкам, фольгам и волокнам с памятью, выполняющим адаптивные, сенсорные и актуаторные функции. Для машиностроения интерес представляют массивные поверхностные слои из сплава TiNi, способные обеспечить функциональные свойства и работать в сложных условиях нагружения. Несмотря на исследования структуры, свойств и применений TiNi-сплавов, вопросы, касающиеся изучения получаемых из них покрытий, до сих пор остаются малоизученными.



Работа выполнялась по НИР "Повышение долговечности деталей машин с помощью создания поверхностных самоорганизованных структур с памятью формы" (201.01.01.115) 2001-2002 гг., а также по НИР "Повышение функционально-механических свойств сталей путем создания поверхностных слоев из материалов с ЭПФ" 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 TiNi, сформированным при лазерном воздействии, с целью обеспечения функционально-механических свойств деталей.

Основные задачи исследования:

- исследовать теплофизические и технологические особенности организации структуры TiNi-покрытия в условиях процесса его формирования;

- разработать технологию поверхностного модифицирования конструкционных сталей сплавом с ЭПФ (TiNi);

- оценить корреляционные связи структуры и свойств материала «сталь-сплав TiNi» на различных этапах поверхностного модифицирования;

- разработать конструктивно-технологические решения с использованием поверхностно-модифицированных материалов, обеспечивающих заданные функционально-механические свойства деталей.

Методы исследования базировались на основных положениях металловедения мартенситных превращений, механики деформируемого твердого тела, механики разрушения, неравновесной термодинамики и фрактального материаловедения, технологии машиностроения, математико-статистических методов анализа экспериментальных данных.

Научная новизна:

- получено численное решение тепловой задачи процесса импульсной лазерной наплавки сплава TiNi с определением температурных условий структурной организации поверхностного слоя;

- разработаны статистические модели технологического процесса импульсной лазерной наплавки, позволяющие оптимизировать структурно-механические свойства слоя сплава TiNi;

- предложен механизм усталостного разрушения материала с TiNi-покрытием, полученным лазерной наплавкой, на основе использования структурно-энергетического критерия циклической долговечности;

- установлены статистические закономерности, позволяющие прогнозировать свойства поверхностно-модифицированного слоя сплава TiNi, с помощью мультифрактальной оценки структурных параметров и основных корреляционных связей технологического наследования.

Практическая значимость:

- произведена оптимизация режимов комплексного термомеханического цикла поверхностного модифицирования сталей сплавом TiNi, что позволяет обеспечить реализацию эффекта памяти поверхностного слоя для получения разъемных соединений деталей;

- установлено повышение усталостных, триботехнических и коррозионных свойств сталей с поверхностно-модифицированным слоем TiNi, полученным лазерной наплавкой;

- предложен альтернативный способ получения TiNi-покрытий методом термического переноса масс;

- разработан способ предохранительного разъемного соединения деталей фрикционной шпонкой с покрытием из сплава с ЭПФ (TiNi);

- произведена расчетная оценка напряженно-деформированного состояния метрических резьбовых соединений с покрытием из сплава с ЭПФ (ТiNi) методом конечно-элементного моделирования.

На защиту выносятся:

- особенности структурообразования поверхностных слоев из сплава на основе никелида титана и численного моделирования тепловых процессов, определяющих организацию структуры слоя TiNi в условиях импульсной лазерной наплавки;

- технология поверхностного модифицирования сталей сплавом с ЭПФ на основе никелида титана с использованием лазерной наплавки;

- механизм малоциклового разрушения сталей с поверхностным слоем TiNi, полученным лазерной наплавкой, и результаты экспериментального исследования эксплуатационных свойств на различных этапах поверхностного модифицирования (циклической долговечности, износостойкости, коррозионной стойкости в различных средах);

- критерии оценки свойств материала «сталь-сплав TiNi» на основе исследований эволюции его структурных параметров, мультифрактальных характеристик и технологического наследования в процессе поверхностного модифицирования;

- конструктивно-технологические способы обеспечения функционально-механических свойств деталей с использованием поверхностно-модифицированных слоев из сплава с ЭПФ (TiNi);

- конечно-элементная оценка напряженно-деформированного состояния разъемных соединений деталей, поверхностно-модифицированных сплавом TiNi, с учетом деформационно-силовых параметров слоя с ЭПФ на основе TiNi.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты работы докладывались на: Межвузовской научно-методической конференции "Электромеханические преобразователи энергии", 20-21 марта 2002, Краснодар, КВАИ; Международном конгрессе "Механика и трибология транспортных систем", 10-13 сентября 2003, Ростов-на-Дону, РГУПС, Международной конференции "Новые перспективные материалы и технологии их получения-2004", 20-23 сентября 2004, Волгоград, ВГТУ; XLIII Международной конференции "Актуальные проблемы прочности", 27 сентября-1 октября 2004, Витебск, Беларусь; 4-й Южнороссийской конференции "Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки", 7-8 апреля 2005, Краснодар, КВВАУЛ; II Международной школе "Физическое материаловедение", XVIII Уральской школе металловедов-термистов "Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов", 6-10 февраля 2006, Тольятти, ТГУ; Международной конференции по теории механизмов и механике машин, 9-15 октября 2006, Краснодар, КубГТУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ. Общее количество страниц – 63. Получено 2 патента РФ (11с.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 6 глав, перечня основных результатов и выводов, приложения. Она содержит 90 рисунков, 30 таблиц и список литературы из 180 наименований. Число страниц – 200.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дана оценка современного состояния вопроса и перспектив использования модифицированных слоев сплавов с эффектом памяти формы (ЭПФ), анализ их механических и функциональных свойств, рассмотрены инженерные аспекты применений сплавов с ЭПФ для обеспечения функционально-механических свойств деталей машин.

Значительный вклад в исследование сплавов с ЭПФ и расширение областей их использования внесли ряд отечественных (С.П. Беляев, Р.З. Валиев, А.Е. Волков, С.В. Добаткин, Ю.Н. Коваль, В.Г. Курдюмов, В.А. Лихачев, Н.А. Махутов, С.Д. Прокошкин, В.Г. Пушин, А.И. Разов, С.В. Шишкин и др.) и зарубежных (С.М. Вейман, Я. Ван-Хумбек, Д.И. Ли, С. Миязаки, К. Ооцука, Э. Хорнбоген, Ф.Т. Ченг и др.) ученых.

В современном машиностроении реальные применения TiNi-сплавов с памятью крайне ограничены, главным образом, из-за их высокой стоимости. Одно из решений этой проблемы связано с использованием композиционного материала «сталь-покрытие TiNi», которое применяется в условиях интенсивных внешних воздействий, сопровождающих работу деталей машин (знакопеременное нагружение, трение, удар, вибрации и т.п.). Но известные в настоящее время косвенные доказательства удачного применения того или иного метода плакирования либо наплавки сплава TiNi являются довольно разрозненными и противоречивыми. В этой связи необходимым является разработка технологий инженерии поверхности для получения на сталях слоев сплава на основе TiNi, функциональные свойства которых эквивалентны свойствам сплошного никелида титана, а также исследование их структурных, технологических и функционально-механических аспектов. Анализ известных способов управления структурой и свойствами сплавов системы Ti-Ni позволил разработать основную методику обеспечения функционально-механических свойств TiNi-слоев. Сопоставление возможностей различных методов формирования покрытий со специальными свойствами указывает на преимущества способа структурной организации поверхностных слоев сплава TiNi при лазерном воздействии.

Во второй главе описываются основные положения теоретических расчетов тепловых процессов при лазерной наплавке никелида титана. В качестве модели композиции «сталь-сплав TiNi» принят двухслойный материал: для TiNi-покрытия реализовывалась теплофизическая модель тонкой пластины, для стальной основы - полубесконечного тела. В одномерной постановке поле температур описывается системой дифференциальных уравнений теплопроводности. Основополагающие уравнения теплопередачи были скорректированы согласно представлениям о геометрии зоны плавления с учетом положения фронта кристаллизации и решение отыскивали при соответствующих граничных условиях:





зона 1 (жидкий расплав): , при , (1)

при ,, .

Зона 1-2 (твердый раствор): , при , (2)

при , (3)

. (4)

Зона 2 (основа): , при . (5)

где T1, T12, T2 – температуры, а1, а12, а2 и 1, 12, 2– температуро- и теплопроводности зон 1, 1-2, 2; - плотность сплава, L – скрытая теплота кристаллизации. Nк и V1П – координационное число и объемная фракция частиц порошка ПН55Т45.

Теплофизические характеристики интерполировались согласно справочным данным. Для нахождения распределения температуры по глубине использовали метод интегральных преобразований Фурье. При расчете с помощью программы MathCAD получены температурные зависимости на разной глубине слоя TiNi (0,15 мм) и стальной основы (З0ХГСА); на стадии охлаждения решение по виду симметрично с нагревом. Распределение поля температур (рисунок 1) позволяет оценить температурные условия формирования TiNi-покрытия и предварительно оценить его толщину.

В третьей главе описываются материалы и образцы для проведения исследования, конструктивные особенности оборудования и испытательные машины, методика исследования, средства измерения и диагностики.

Лазерная наплавка проводилась послойно на стандартных стальных образцах прямоугольного (105 мм, стали 40Х, 38ХН3МФА, 12Х18Н9Т) и круглого ( 10 мм, сталь 30ХГСА) поперечного сечения в автоматическом импульсном режиме на модернизированной установке Квант-12М (АИГ, =1,06 мкм) в защитной среде аргона. Для наплавки использовали порошковый никелид титана эквиатомного состава (ПН55Т45, НПО «Тулачермет», размер фракций – 50-150 мкм), а также чистый никель (ПНК1-ВЛ7) в виде промежуточных тонких подслоев в соединении сталь-TiNi.

В качестве альтернативного способа формирования TiNi-покрытий рассматривалась технология термического переноса масс, реализуемая с помощью предложенной конструкции установки с теплообменным контуром (патент РФ № 2224048), позволяющая получать слои TiNi как в результате термического, так и изотермического переноса масс.

После формирования TiNi-покрытия его подвергали поэтапному полному термомеханическому циклу (ТМЦ) обработки. Термообработка (отжиг в инертной среде) производился в электропечи сопротивления с микропроцессорным регулятором температуры ЭКПС V-50. Термомеханическая тренировка осуществлялась методом поверхностного пластического деформирования (ППД) по двум схемам: методом обкатки цилиндрических поверхностей и обжатия плоских поверхностей. Исследования проводились в условиях комнатных и низких температур. Обкатку проводили с помощью специального трехроликового приспособления, устанавливаемого в суппорте токарного станка 1А616. Реализация ППД с обжатием осуществлялась с помощью модернизированной испытательной машины УМЭ-10ТМ и пресса ПСУ-50 в сконструированном приспособлении, оснащенном двумя матрицами пресс-формы, точно повторяющими контур образца. Изменения микрогеометрии слоев определяли с помощью микроскопа-микроинтерферометра МИС-11.

Усталостные испытания при малоцикловом нагружении в условиях симметричного изгиба и совместного действия изгиба и контактного трением проводили на 4-х позиционной установке. Весовые потери в результате износа и общей коррозии определяли гравиметрическим методом (на аналитических весах WA-33). Оценка стойкости против общей коррозии оценивалась при сопоставлении с показателями испытаний стали, чистого титана и сплава ТН (Ti–55,3 вес.%Ni, производства ЗАО «ПЦ Матекс»).

Металлографические исследования проводились на микроскопах ИМЦ-100, МИМ-8, NU-2Е (Carl Zeiss Jena) и растровом сканирующем микроскопе JSM-840 (JEOL). Рентгенофазовый анализ – на дифрактометрах TUR M62 и Дрон-3 (в Cu-К излучении), химический – на дифракционном стилоскопе СЛ-13 и микроанализаторе микроскопа JSM-840, дюрометрический – на приборе ПМТ-3. Толщина слоя TiNi контролировалась магнитными ультразвуковыми толщиномерами МТ-2007, МПТ-01.

В четвертой главе приводится описание технологических основ формирования поверхностных слоев из сплава с ЭПФ: результаты отработки технологических режимов лазерной наплавки TiNi; способов управления и взаимосвязи структуры и функционально-механических свойств TiNi-слоев.

При импульсной лазерной обработке, в отличие от других методов, получения интерметаллидного TiNi-покрытия на любых сталях возможно и без связующей матрицы. Для обеспечения качественного соединения использовали адгезионные подслои чистого никеля (=0,05 мм).

Формируемый TiNi-слой претерпевает трансформацию первоначального состава в пределах 1% в связи с некоторой летучестью титана при наплавке (составляет 50,8-51 вес.%Ni). Характер распределения химических элементов по толщине слоя показан на рисунке 2, содержание Ti и Ni на границе снижается до 20%.

  Микроструктура стали 30ХГСА с-15

  Микроструктура стали 30ХГСА с-16

Рисунок 2 – Микроструктура стали 30ХГСА с TiNi-слоем – а), 500. Характер распределения основных элементов по толщине TiNi-слоя – б)

  Номограммы толщины слоя-20

Рисунок 3 – Номограммы толщины слоя никелида титана при лазерной наплавке

В результате обработки экспериментальных данных с помощью статистического регрессионного анализа в среде SPSS Statistica 6.0 получены математические модели процесса лазерной наплавки сплава TiNi (рисунок 3). Произведена оптимизация толщины наносимого покрытия, линейной и угловой скорости обработки, диаметра пятна сфокусированного лазерного излучения, его плотности и длительности. Связь между технологическими параметрами обработки для получения TiNi-покрытия толщиной TiNi:

, (5)

где 0…3 – статистически определенные истинные значения коэффициентов, являющихся случайными нормально распределенными величинами (в явном виде 0=562,587; 1=-1,6262; 2=-125,9615; 3=0,444); – толщина обмазки, мм; v – скорость наплавки, мм/мин; dp – диаметр пятна, мм;



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.