Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по разным специальностям Pages:     || ОБЪЯВЛЕНИЕ О ЗАЩИТЕ КАНДИДАТСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ Ф.И.О Соколов Игорь Викторович ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ Название диссертации СТРУКТУРЫ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В ПРОЦЕССЕ ВАКУУМНОЙ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ Специальность 05.16.06 Порошковая металлургия и композиционные материалы Отрасль наук

и Технические науки Шифр совета Д 212.110.04 Тел. ученого секретаря 417-8878 E-mail mitom@implants.ru Предполагаемая дата защиты 24 декабря 2009г. в 11.00 диссертации Место защиты диссертации Оршанская, 3, ауд. 220А

Автореферат и текст объявления были размещены на сайте МАТИРоссийского государственного технологического университета им. К.Э.Циолковского в сети Интернет 24 ноября 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета С.В.Скворцова

На правах рукописи

АСПИРАНТ СОКОЛОВ Игорь Викторович ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В ПРОЦЕССЕ ВАКУУМНОЙ ИОННОПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ Специальность 05.16.06 Порошковая металлургия и композиционные материалы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва - 2009

Работа выполнена на кафедре Материаловедение и технология обработки материалов ГОУ ВПО МАТИ - Российского государственного технологического университета имени К. Э. Циолковского и в ОАО НИАТ - Национальном институте авиационных технологий.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Петров Леонид Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Чернов Дмитрий Борисович кандидат технических наук Ситников Алексей Игоревич Ведущее предприятие - ОАО ВАСО

Защита диссертации состоится 24 декабря 2009 года в 11 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.110.04 в ГОУ ВПО МАТИ-Российском государственном технологическом университете имени К.Э. Циолковского по адресу: Москва, ул. Оршанского, 3, МАТИ-РГТУ им. К. Э. Циолковского, ауд.

220А. Отзыв на автореферат в одном экземпляре (заверенный печатью организации) просим направлять по адресу: 121552, Москва, ул. Оршанского, 3, МАТИ-РГТУ им. К. Э. Циолковского.

Факс: (495) 417-89-78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан 23 ноября 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета С. В. Скворцова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Вакуумная ионно-плазменная (ВИП) обработка поверхности является эффективным способом повышения работоспособности деталей авиационной техники за счёт создания модифицированных поверхностных слоёв и нанесения покрытий. Формирование в поверхностном слое деталей из конструкционных металлических материалов заданной структуры, позволяющей обеспечить необходимый уровень эксплуатационных свойств, достигается путём воздействия на поверхность высокоэнергетических потоков частиц газовой и металлической плазмы. Результатом такого воздействия являются либо структурные изменения в исходной поверхности детали, так называемый процесс модифицирования, либо формирование покрытия, структурное состояние которого зависит от многих факторов, в том числе исходной структуры поверхностного слоя подложки детали. Поэтому вопросы, связанные с изучением состояния поверхности на различных этапах ВИП обработки, актуальны для оптимизации процессов нанесения покрытий и модифицирования.

Эффективность применения таких видов обработки зависит не только от параметров технологического процесса, но и от подготовки структуры поверхности детали на предшествующих этапах, при этом диапазон структурных изменений может колебаться от атомного до микроуровня, что требует применения методов исследований с широким диапазоном измерения от 10 нм до 500 нм и выше. Из сказанного следует, что изучение закономерностей формирования структуры поверхностного слоя деталей из конструкционных металлических материалов, на различных этапах ВИП обработки, для оптимизации технологии производства этих деталей, с целью повышения комплекса эксплуатационных свойств является актуальной.

Цель работы: Состояла в установлении закономерности формирования структуры, в том числе наноструктурных составляющих, в поверхностном слое деталей из конструкционных металлических материалов методом сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) на различных этапах ВИП обработки и разработке рекомендаций по оптимизации режимов техпроцессов для повышения комплекса эксплуатационных свойств изделий авиационной техники.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Установить закономерности воздействия различных видов финишной обработки на изменения структуры и рельефа поверхностного слоя конструкционных металлических материалов и определить их влияние на качество и структуру поверхности после ВИП обработки.

2. Установить закономерности влияния энергетических параметров плазменных потоков на формирование нанорельефа и наноструктуры в поверхностных слоях конструкционных металлических материалов на различных этапах ВИП обработки.

3. Разработать требования к конфигурации сканирующих зондов, создать устройство для их изготовления и методику аттестации сканирующих зондов.

4. Разработать методику сканирования поверхностного слоя для оценки нанорельефного и наноструктурного состояния поверхности конструкционных металлических материалов.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Установлены закономерности влияния структуры и рельефа исходного поверхностного слоя конструкционных металлических материалов на качество формируемой поверхности в процессах модифицирования и нанесения покрытий при ВИП обработке. Показано, что основой качественного формирования поверхности в процессе ВИП обработки является исходная поверхность после финишной обработки деталей при образовании исходного нанорельефа с максимальной высотой неровностей 20 нм, величиной среднего отклонения неровностей по площади скана Sа равной 10 нм.

2. Установлено, что в процессе формирования покрытий наиболее существенным дефектом является рост аномальных кристаллических образований, форма которых зависит от энергетических параметров и элементного состава плазменного потока. Показано, что плазменный поток Ti может формировать аномальные кристаллические образования с базисной или призматической структурой, кинетика роста и разрушения которых определяется параметрами плазменного потока и изменением его элементного состава.

3. Установлено, что воспроизводимость нанорельефа и наноструктуры исследуемых поверхностей, в виде изображений - сканов, зависит от конфигурации зонда и постоянства радиуса закругления острия зонда (иглы). Показано, что радиус закругления острия зонда 10 нм обеспечивает высокую точность и стабильность измерений при сканировании структуры поверхностного слоя конструкционных металлических материалов.

4. Установлены закономерности формирования нанорельефа и наноструктур в поверхностных слоях конструкционных металлических материалов при различных видах технологических воздействий в процессах ВИП обработки.

Показано, что величина изменений нанорельефа и наноструктуры поверхностного слоя определяется энергией воздействия потоков газовой и металлической плазмы.

Наиболее информативной величиной поверхностных структурных изменений является среднее отклонение неровностей по площади поверхности скана - Sа. Так значение величины Sа в процессе ионного азотирования титанового сплава ВТизменяется от 12.5 нм до 19.2 нм при увеличении температуры процесса от 500С до 600С и от 42.2 нм до 71.2 нм при росте температуры с 700С до 800С.

Практическая значимость работы.

1. Модернизировано оборудование и разработана технология получения зондовых игл с регламентируемым радиусом закругления, оптимальным для контроля рельефа и структуры поверхности конструкционных металлических материалов или деталей. Разработана методика сканирования, позволяющая оценивать эффективность технологических воздействий в исследуемой точке поверхностного слоя с отклонением 1 мкм при поле сканирования 5мкм.

2. Разработаны методические материалы по аттестации зондовых игл и проведению исследований структурных изменений поверхностного слоя конструкционных металлических материалов путём сканирования поверхности с позиционированием в постоянных координатах относительно сканирующего зонда (ММ 1-1620-2-2009).

3. На основе установленных закономерностей изменения величины нанорельефа и наноструктуры поверхностного слоя конструкционных металлических материалов от энергии воздействия потоков газовой и металлической плазмы оптимизированы энергетические параметры потоков газовой плазмы на технологическом этапе очистки и активации поверхности процессов ВИП обработки.

Апробация работы. Материалы работы доложены на 5 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе: на 1-ой Научно - практической конференции НАНОТЕХНОЛОГИИ - ПРОИЗВОДСТВУ 2005, Россия, г. Москва, 2005 г., на 6-ой Международной конференции Покрытия и обработка поверхности, Россия, г. Москва, СК Олимпийский, 18-20 марта 2009 г.; на IV Международной научно-технической конференции Вакуумная техника, материалы и технология, Россия, г. Москва, КВ - Сокольники, 18-20 марта 2009 г.; на Международной конференции Титан в СНГ Украина, г. Одесса, 17-20 мая 2009 г., на 9-ой Международной конференции Пленки и покрытия-2009, Россия, г. СПетербург, 26-29 мая 2009 г.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах из Перечня ведущих научных журналов и изданий ВАК РФ, получен 1 патент на полезную модель и положительное решение на получение патента на изобретение. Список статей и патентов приведен в конце автореферата.

Объем диссертации ее структура. Диссертация содержит 121 страницу машинописного текста, 75 рисунков, 2 таблицы. Работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 130 наименований.

Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА В этой главе проведён анализ литературных данных, который показал, что процессы ВИП обработки, связанные с формированием вакуумных ионноплазменных покрытий и модифицированием поверхности конструкционных металлических материалов, отличаются аппаратным обеспечением, применяемыми технологиями, выбором химического состава покрытий, механизмом формирования поверхностных микроструктур и фазового состава, уровнем остаточных напряжений. Проанализированы вопросы применения методов исследования и контроля качества формирующихся покрытий и модифицированных слоев на различных этапах соответствующих технологических процессов.

Выявлены общие закономерности влияния технологических факторов (плотность тока, опорное напряжение, парциальное давление газа в камере, температура подложки и состояние ее поверхности) на структуру поверхностных слоев, определяющую служебные свойства деталей и изделий изготавливаемых из конструкционных металлических материалов.

Анализ применяемых в настоящее время методов контроля свойств покрытий определил необходимость создания дополнительных методов их оценки качества на каждом из этапов технологического процесса. Все эти направления поверхностной обработки, прежде всего, связаны со структурными изменениями в поверхностном слое, формируемыми под воздействием высокоэнергетических потоков газовой и металлической плазмы разного элементного состава.

Однако, широкое применение методов вакуумной ионно-плазменной обработки в авиационной технике сталкивается с рядом трудностей связанных с тем, что новые эффективные технологии ВИП обработки требуют использования не только оборудования с более широкими технологическими возможностями, но и новых методов исследования, позволяющих оценивать структурные изменения поверхностного слоя на различных уровнях, включая и наноуровень, так как диапазон структурных превращений изменяется от атомного уровня до микроуровня.

В работе было показано, что переход от структур и свойств изолированных кластеров и наночастиц к массивным кристаллическим структурам и свойствам на различных технологических этапах процессов нанесения покрытий и модифицирования поверхности, требует применения методов исследований с широким структурным диапазоном от 10 нм до 500 нм и выше. Особенно это актуально для этапов очистки и активации исходной поверхности, поскольку изменения структурного состояния поверхности на этих технологических этапах происходят на нанометрическом уровне, а оценка исходной структуры поверхностного слоя определяется, как правило, на микроуровне. Поэтому необходимо, наряду с широко известными методами оценки структурного состояния поверхности, применять методы наноструктурных исследований. В качестве базового метода таких исследований можно рассматривать сканирующую туннельную микроскопию (СТМ). Однако в опубликованных работах по данной тематике практически отсутствуют исследования наноструктурных изменений поверхностного слоя конструкционных металлических материалов формируемых под воздействием газовой и металлической плазмы при ВИП обработке. Связано это, прежде всего, с несовершенством аппаратного обеспечения и отсутствием методики позиционирования сканируемой поверхности в постоянных координатах относительно сканирующего зонда, что приводит к необъективности оценки технологических воздействий на структурные превращения в исследуемом поверхностном слое, что, в конечном счёте, может сказаться на качестве формируемых покрытий и модифицированных слоёв.

На основании выполненного анализа литературы поставлены задачи исследования.

Глава II. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Исследования проводили на промышленных титановых сплавах ВТ1-0, ВТ6, ВТ20, аустенитной нержавеющей стали 12Х18Н10Т, на сталях класса 30ХГСА, 40Х, инструментальной стали Р6М5, а также материалах с атомарно ровной поверхностью: слюда СПМ-1, высокоориентированный пиролитический графит и кремний. Для исследований использовали полуфабрикаты в виде листов и прессованных прутков сплавов в состоянии поставки. Формирование покрытий и модифицирование поверхностей потоками газовой и металлической плазмы на различных этапах ВИП обработки осуществлялось на серийно выпускаемой установке ННВ 6.6-И5.

Pages:     ||    Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по разным специальностям