Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
на правах рукописи Алонцева Дарья Львовна СТРУКТУРНО-ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ И СВОЙСТВА СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ Ni-Cr, Co-Cr, Fe-Ni-Cr В РЕЗУЛЬТАТЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ
01.04.07 - физика конденсированного состояния
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Барнаул 2012
Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова
Научный консультант:
доктор физико-математических наук, профессор Погребняк Александр Дмитриевич
Официальные оппоненты:
Плотников Владимир Александрович, доктор физико-математических наук, профессор, Алтайский государственный университет, профессор Шаркеев Юрий Петрович, доктор физико-математических наук, профессор Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, профессор Громов Виктор Евгеньевич, доктор физико-математических наук, профессор, Сибирский государственный индустриальный университет, профессор Ведущая организация ЦНИИчермет им. И.П.Бардина Институт металловедения и физики металлов им. Г.В. Курдюмова, г. Москва
Защита состоится 29.05.2012 г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.004.04 при Алтайском государственном техническом университете им.
И.И. Ползунова по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46; e-mail:
veronika_65@mail.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова Автореферат разослан л 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Романенко В. В.
Примечание: отзывы на автореферат, заверенные печатью организаций, просим присылать в 2-х экз. на адрес университета и e-mail: veronika_65@mail.ru
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. В последнее время интенсивно разрабатываются плазменно-детонационные технологии для формирования порошковых защитных покрытий и радиационно-пучковые технологии для их модифицирования, а так же для модификации поверхности сталей и сплавов. Физическую основу данных технологий представляют процессы взаимодействия заряженных частиц с твердым телом, а при больших плотностях мощности пучков (более 105 Вт/см2) основным их воздействием на поверхность помимо радиационного является термическое [1,2], что позволяет рассматривать электронное излучение и плазменные струи как концентрированные энергетические потоки. Другой, традиционный путь формирования в объеме материала мелкозернистых структур с улучшенными эксплуатационными свойствами - это использование различных термомеханических обработок (ТМО). Формирование ультрамелкозернистых (УМЗ) структур может быть обеспечено путем сильной деформации (холодная прокатка со степенями обжатия 80-99%, ударное воздействие), предшествующей термической обработке [3,4]. В этом случае энергетические потоки, воздействующие на вещество, являются деформационными. Улучшение механических и трибологических свойств аустенитных сталей и сплавов при воздействии концентрированных потоков энергии (КПЭ) может быть реализовано путем формирования в них УМЗ или наноразмерных интерметаллидных соединений. Основная особенность интерметаллидных соединений - высокая твердость и износостойкость наряду с удовлетворительной пластичностью, способность сохранять прочность и структуру при высоких температурах. Интерметаллиды в УМЗ и наноструктурном состоянии могут повысить пластичность и в определенных условиях обеспечить сверхпластичность конструкционных материалов при высоких температурах в сочетании с высокой прочностью. В настоящее время способы упрочнения аустенитных материалов путем формирования в них наноразмерных интерметаллидов мало изучены, хотя они очень перспективны, особенно при модификации металлических покрытий импульсными пучками, так как особенно эффективно наноструктурированные состояния достигаются при высоких скоростях нагрева и при малом времени воздействия высоких температур [5,6]. Исследования, направленные на установление закономерностей формирования основных типов микро и наноструктур материалах позволят целенаправленно применять определенные режимы высокоэнергетического воздействия для обеспечения необходимого комплекса эксплуатационных свойств, поэтому являются актуальными. Улучшение эксплуатационных характеристик происходит за счет структурно-фазовых превращений в материале, обусловленных, в основном термическим и механическим воздействием. Немаловажный аспект при выборе вида и режимов воздействия - это морфология выделения упрочняющих интерметаллидов. В применении к металлическим материалам особую актуальность приобретает проблема прерывистого выделения фаз в аустенитных материалах, имеющих широкое применение в приборо- и машиностроении [7]. В этой связи исследования, направленные на изучение морфологии и кинетики прерывистого распада твердого раствора с выделением интерметаллидов пластинчатой морфологии так же актуальны. Центральное место в таких исследованиях занимает просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), дающая наиболее полное представление об изменении тонкой структуры металлических материалов в результате облучения и различных внешних воздействий. Научной основой для модификации материалов в данном случае является выяснение общих закономерностей структурно-фазовых превращений, протекающих при различных видах высокоэнергетического воздействия в изучаемых сплавах в зависимости от термодинамических, кинетических и структурных условий развития процессов распада.
Используя модельный подход к описанию распределения температурного профиля в облучаемом материале, можно обосновать выбор режимов облучения, обуславливающий определенные температуры и выделение определенных фаз в испытуемом образце, а так же высокий градиент температуры для ускорения диффузионных процессов. Обоснованный модельным подходом эксперимент позволяет решать проблему улучшения твердости, износо- и коррозионной стойкости покрытий (за счет улучшения их адгезии) и повышения технологической пластичности сплавов.
Для установления общих закономерностей воздействия КПЭ на структурнофазовое состояние материалов и на их свойства нужно тщательное исследование определенных сплавов и сталей. Даже небольшие изменения в структурно-фазовом составе материалов могут привести к резкому изменению их свойств. Для того чтобы разработать общие модели поведения данных материалов при высокоэнергетическом воздействии и дать практические рекомендации по режимам воздействия, ведущим к оптимизации механических и эксплуатационных свойств, необходимо хорошее знание материаловедческих аспектов для конкретных материалов.
Цель работы: установление общих закономерностей воздействия КПЭ:
электронного или плазменного облучения и деформации на структурно-фазовое состояние покрытий и сплавов на основе Ni-Cr, Co-Cr и Fe-Ni-Cr и на их свойства.
Выработка практических рекомендаций по модификации конкретных материалов ТМО и облучением с целью улучшения их эксплуатационных характеристик.
Для достижения цели работы необходимо было решить следующие задачи:
- провести исследования структурно-фазового состояния покрытий из порошковых композиционных материалов на основе Ni-Cr и Со-Cr и их свойств и установить основные закономерности структурно-фазовых превращений в покрытиях результате их скоростного осаждения с помощью импульсной плазменной детонации;
- провести исследование переходного слоя между подложками и покрытиями, выяснить структурно-фазовый состав и характеристики формирующейся диффузионной зоны;
- сделать оценочные расчеты концентрации основных элементов покрытия в подложке на основе гипотезы термоупругих волн при импульсном облучении и провести численный эксперимент по расчетам температурных профилей в многослойных металлических поглотителях при импульсном плазменном и при электронном облучении, рекомендовать режимы, предположительно приводящие к ускорению диффузионных процессов;
- провести исследования структурно-фазового состояния и свойств плазменно-детонационных покрытий из порошков на основе Ni-Cr и Со-Cr, облученных по расчетным режимам, исследовать изменения диффузионной зоны и установить основные закономерности структурно-фазовых изменений в плазменнодетонационных покрытиях при их модификации электронным и плазменным облучением, приводящие к повышению их твердости, коррозионной и износостойкости;
- провести исследование влияния степени деформации прокаткой и непрерывного электронного облучения на структурно-фазовое состояние дисперсионно-твердеющих сплавов на основе Ni-Cr и Fe-Ni-Cr и их механические свойства;
Объектом исследований в диссертационной работе выбраны сплавы на основе Ni-Cr, Co-Cr, Fe-Ni-Cr, предназначенные для работы в условиях абразивного износа, ударных воздействий, циклических нагружений, высокой температуры и агрессивных сред. Соответственно, данные материалы - сплавы из композитных порошков ПГ-19Н-01, ПГ-10Н-01, ПГ-АН-33, АН-35 и дисперсионно-твердеющие сплавы 40ХНЮ и 36НХТЮ потенциально обладают высокой твердостью и коррозионной стойкостью, жаропрочностью, износостойкостью, которую обеспечивают в основном входящие в их состав элементы [8]. Упрочнение данных материалов при воздействии КПЭ может осуществляться за счет выделения дисперсных интерметаллидных фаз. В качестве объекта исследования так же выступает промышленная сталь Ст3, на которую методом плазменной детонации наносились порошковые покрытия. Все выбранные для исследования материалы не только способны предоставить широкий спектр структурно-фазовых состояний для исследования, но и являются промышленными материалами, что имеет практическое значение.
Порошковые покрытия на основе Ni-Cr и Co-Cr наносились на стальные подложки методом плазменной детонации на установке Импульс-6 Для оплавления покрытия использовали повторные проходы плазменной струи без порошка покрытия в воздушной среде и облучение образцов в вакууме электронным пучком постоянного тока на источнике У-212. Нанесение покрытий и их модификация проведены в Сумском институте модификации поверхности (г. Сумы, Украина). Электронное облучение сплавов 40ХНЮ и 36НХТЮ проведено на импульсном электронном ускорителе ЭЛУ в АГУ им. Абая (г. Алматы, Казахстан).
Предметом исследований в диссертационной работе в зависимости от поставленной задачи являлись: а) особенности структурно-фазового строения и свойств порошковых плазменно-детонационных покрытий; б) процессы, идущие в материалах при облучении: распределение температуры по глубине от поверхности, распространение термоупругих волн; в) эволюция микроструктуры и физикомеханических свойств материалов при их деформации и облучении электронными или плазменными пучками;
Методы исследования. В качестве основных методов исследования тонкой структуры были использованы: ПЭМ, сканирующая электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия (АСМ), световая микроскопия (металлография), рентгеноструктурный фазовый анализ (РСФА), рентгеноспектральный флуоресцентный анализ и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, Резерфордовское обратное рассеяние (РОР), Мессбауэровская спектроскопия.
Физические свойства и эксплуатационные характеристики сплавов и сталей исследовали при помощи различных механических испытаний: измерения микро и нанотвердости, одноосного растяжения до разрыва, испытаний на коррозионную стойкость и стойкость к износу трением.
Осуществлена компьютерная статистическая обработка результатов испытаний с использованием стандартных программ статистической обработки и корреляционного анализа.
Для создания программного приложения автоматизированного расчета распределения температурных профилей в металлических поглотителях при электронном облучении использовали язык программирования Object Pascal (Delphi). Расчет распределения температурного профиля при воздействии импульсной плазменной струи на образец с покрытием проведен в лаборатории прикладного и теоретического материаловедения Института ядерной физики НЯ - РК (Алматы, Казахстан) при помощи лицензионной программы Diffpack Encounter Основные положения, выносимые на защиту:
1. Эволюция структурно-фазового состояния порошковых покрытий на основе Ni-Cr и Co-Cr в результате скоростного осаждения с помощью импульсной плазменной детонации, формирование диффузионной зоны между покрытием и подложкой.
2. Модель строения плазменно-детонационных порошковых покрытий на основе Ni-Cr и Co-Cr и определение критического размера зерна аустенитной никелевой матрицы покрытий, характеризующего начало прерывистого распада с выделением интерметаллидной фазы.
3. Результаты моделирования распределения температуры по глубине и концентрации основных элементов покрытия в подложке при облучении покрытий импульсной плазменной струей или электронным пучком и режимы облучения, приводящие к увеличению диффузионной зоны между покрытием и подложкой, полученные исходя из модельных экспериментов.
4. Закономерности эволюции микроструктуры облученных покрытий:
увеличение ширины диффузионной зоны, увеличение объемной доли упрочняющих интерметаллидных фаз, формирование однородной мелкозернистой структуры; их взаимосвязь с изменениями физикомеханических свойств модифицированных покрытий.
5. Установленные закономерности влияния степени деформации прокаткой, времени старения и электронного облучения на изменения тонкой структуры и механические свойства сплавов 40ХНЮ и 36НХТЮ.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
1. На основе термодинамических представлений и экспериментальных исследований с применением ПЭМ определен критический размер зерна аустенитной матрицы покрытий на основе Ni-Cr, характеризующий начало прерывистого распада с выделением интерметаллидных фаз и экспериментально определена величина коэффициента k в уравнении Холла-Петча для материалов покрытий на основе Co-Cr.
2. Определено структурное состояние границы раздела между плазменнодетонационными покрытиями и подложкой и установлено существование диффузионной зоны как переходной области от материала покрытия к подложке.
3. На основе экспериментов по исследованию тонкой структуры и микротвердости плазменно-детонационных порошковых покрытий на основе Ni-Cr и Co-Cr разработана схема их строения, использованная для моделирования температурных профилей в покрытиях при облучении.
4. Проведен модельный эксперимент по расчету распределений температуры по глубине в материалах многослойных металлических поглотителей при различных видах и режимах облучения, на основе которого рекомендованы режимы облучения, обеспечивающие высокие градиенты температур и ускорение диффузионных процессов, ведущих к формированию обширной диффузионной зоны.
5. Экспериментально установлено формирование обширной диффузионной зоны при импульсном плазменном и при непрерывном электронном облучении плазменно-детонационных покрытий по расчетным режимам и существенное увеличение их износостойкости и коррозионной стойкости, твердости.
6. На основе комплексного исследования взаимосвязи степени деформации прокаткой, времени старения и параметров электронного облучения с показателями статической прочности и вязкости разрушения разработаны дополненные облучением схемы термомеханических обработок дисперсионно-твердеющих сплавов на основе Ni-Cr и Fe-Ni-Cr, приводящие к созданию в них ультрамелкозернистых структур с оптимальными сочетанием свойств прочности и пластичности.
Научная и практическая значимость работы.
Совокупность полученных в работе результатов позволяет глубже понять физическую природу таких сложных многофакторных процессов, как распад твердых растворов многокомпонентных металлических материалов, инициированный деформацией и облучением; как эволюция микроструктуры и свойств аустенитных материалов в результате облучения и деформации; как образование диффузионных зон между плазменно-детонационными покрытиями и их подложками и эволюция границ раздела в процессе облучения.
Экспериментальные данные и установленные на основе их анализа закономерности влияния параметров и режимов облучения на эволюцию микроструктуры и ряда свойств аустенитных сплавов и покрытий вносят дополняющий вклад в международную базу данных облученных материалов. Разработаны научнообоснованные схемы обработки материалов облучением, приводящие к улучшению их механических свойств. Разработанная и апробированная методологическая схема исследований структурно-фазового строения разных слоев толстых покрытий на базе ПЭМ и сканирующей электронной микроскопии в совокупности с известными методиками определения механических характеристик может широко применяться в материаловедческих исследованиях.
Достоверность полученных в диссертации результатов и обоснованность научных положений подтверждается:
- применением комплекса современных методов исследований (ПЭМ и электронной сканирующей микроскопии, АСМ, РОР, РСФА, рентгенофлуоресцентного анализа и др.) - применением хорошо апробированных методов физического эксперимента;
- корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью;
- большим объемом экспериментальных и теоретических данных по параметрам исследуемых микроструктур, их адекватной корреляцией с наблюдаемыми изменениями физико-механических свойств, а также хорошим согласованием с имеющимися многочисленными литературными источниками;
- применением методов математического моделирования физических процессов, протекающих в конденсированных средах - широкой апробацией полученных данных и выводов исследования на научных конференциях, а также в публикациях в российских и зарубежных научных журналах ичный вклад автора состоит:
- в постановке задач, целей исследования и в планировании эксперимента;
- в проведении экспериментальных исследований тонкой структуры, в том числе непосредственном получении всех экспериментальных результатов методом ПЭМ. Автором лично осуществлялось исследование механических свойств сплавов, статистическая обработка, обобщение и анализ полученных данных по изменению микроструктуры и физико-механических свойств, проведение численного эксперимента по расчету температурных профилей при электронном облучении;
- в анализе и в обсуждении полученных результатов, в формулировании выводов диссертации.
Связь работы с научными программами и темами. Диссертационная работа выполнялась в рамках договоров о научном сотрудничестве между ВКГТУ им. Д.Серикбаева и АлтГТУ им. Ползунова, между ВКГТУ и Сумским институтом модификации поверхности (2004-2011) годы и между ВКГТУ и Сумским государственным университетом им. А. С. Макаренко (2004-2014) годы. А так же в рамках научных проектов и тем: 1) проекта № 3078 Development of new technologies for deposition of coatings having high corrosion resistance, Science and Technology Center in Ukraine, 2004-2006 гг; 2) гранта ИРИ фонда науки МОиН Республики Казахстан Технология электролитно-плазменной обработки и нанесения покрытий на металлы и сплавы, 2006 г; 3) гранта ИРИ МОиН РК Разработка радиационно-термических технологий упрочнения и повышения коррозионной стойкости конструкционных материалов, 2008 г.; 4) госбюджетной темы МОиН РК Разработка научных основ инновационной технологии модификации защитных покрытий и электронным и плазменным облучением по программе Целевое развитие университетской науки, ориентированной на инновационный результат, 2011г.; 5) инициативной НИР ВКГТУ Модификация свойств покрытий, нанесенных импульсно-плазменным методом, 2011-2012гг;
6) инновационного гранта № 303 АО НИФ РК Разработка технологии модификации поверхности облучением для получения многофункциональных наноструктурированных защитных слоев с повышенными эксплуатационными свойствами, 2012-2014 гг.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были изложены и обсуждены на следующих международных и всероссийских научных конференциях и симпозиумах: International Conference AEPSE-2003, Корея; VI всероссийская научно-практическая конференция УСовременные технологии в машиностроении - 2003 Ф, Пенза; 7th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, 2004, Томск; International Conference Ion Implantation and Other Application of Ions and Electrons ION - 2004, ION - 2006, ION - 2008 и ION - 2010, Польша; International Conference AEPSE - 2005, Китай; 10th International Conference on Plasma Surface Engineering, PSE - 2006, Германия; 6-я Международная конференция Взаимодействие излучений с твердым телом-2005, Белоруссия; I и II международная научно-практическая конференция Состояние, проблемы и перспективы информатизации в Республике Казахстан, 2005 и 2007; VII Международная научная конференция и IV всероссийская школа-конференция молодых ученых УРадиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалахФ, 2008, Томск; International Conference New Electrical and Electronic Technologies and their Industrial Implementation, NEET- 2009 и NEET- 2011, Польша;
4-я, 5-я, 6-я, 7-я и 8-я международная конференция УЯдерная и радиационная физикаФ, 2003, 2005, 2007, 2009 и 2011, Казахстан; международная конференция Физика твердого тела ФТТ-VIII 2004, ФТТ-IX 2006, ФТТ-X 2008 и ФТТ-XI 2010, Казахстан; VI, VII и VIII международная Российско- Казахстанско- Японская научная конференция Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов, Усть-Каменогорск 2008, Волгоград 2009 и Алматы 2011; Международный симпозиум Упорядочение в металлах и сплавах ОМА 9 - 2006, ОМА 11 - 2008, ОМА 12 - 2009 и ОМА 13 - 2010, Ростов-на-Дону - п. Лоо; Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование-2008, Санкт-Петербург; третья и четвертая международная конференция Деформация и разрушение материалов и наноматериалов DFMN-09 и DFMN-11, Mосква; УRadiation Interaction with Material and Its Use in Technologies 2010Ф, Литва; шестая азиатская международная школасеминар Проблемы оптимизации сложных систем, Казахстан; 10-я Международная конференция Плёнки и покрытия - 2011 Санкт-Петербург, 2011, 1th International Conference on Nanomaterials: Applications and Properties (NAP-2011), Украина Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 76 работ, из них 1 монография (в коллективе соавторов), 1 авторское свидетельство (АС), журнальных статей, из которых 22 изданы в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 24 статьи в сборниках Международных конференций, 11 тезисов.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести разделов, заключения и четырех приложений (1 АС, 2 акта внедрения в производство и 1 акт внедрения в учебный процесс). Она изложена на 388 страницах и иллюстрирована 177 рисунками, 44 таблицами. Список цитированной литературы включает 327 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность, указана цель исследования и отмечена новизна и практическая значимость работы, Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первом разделе на основе анализа литературных данных изложены современные представления о радиационно-пучковых технологиях модификации поверхностей и о плазменных технологиях получения покрытий с повышенными трибологическими и механическими свойствами, отмечены основные преимущества и недостатки этих технологий. Представлен обзор литературных данных о современном состоянии проблемы прерывистого распада для аустенитных материалов. Рассмотрены современные представления о структурах, формирующихся при воздействии сильных деформаций и о влиянии облучения на фазовую стабильность аустенитных материалов, проведён обзор работ о формировании наноструктур с повышенными физико-механическими свойствами в материалах, упрочняемых за счет выделения интерметаллидов. На основании полного анализа литературных данных и с учетом актуальности обоснованы и сформулированы задачи исследования.
Во втором разделе описаны материалы исследования, приведены классификация, общая техническая характеристика и назначение исследуемых сплавов и стали, выбраны и описаны методы и методики эксперимента, приведена принципиальная схема плазменно-детонационной установки, дано описание режимов нанесения покрытий методом плазменной детонации и режимов облучения покрытий из порошковых сплавов ПГ-19Н-01, ПГ-10Н-01, ПГ-АН-33, АН-35 и режимов ТМО и облучения дисперсионно-твердеющих сплавов 40ХНЮ и 36НХТЮ.
Методами ПЭМ на JEM-2100 (лJEOL, Япония) при ускоряющем напряжении 200 кВ проводили послойные исследования покрытий, полученных методом плазменной детонации. Исследовали фольги, протравленные аргонными пучками в вакууме на установке PIPS (Gatan, США) с энергией пучка 5 кэВ.
Исследование тонкой структуры сплавов 40ХНЮ и 36НХТЮ проводили на просвечивающих электронных микроскопах JEM - 100CX (лJEOL, Япония) и ПЭМ-125К (лSelmi, Украина), при ускоряющем напряжении 100 кВ. Фольги готовили методом струйной электрополировки.
Исследования структуры поверхности и морфологии проводили методами сканирующей электронной микроскопии на JSM-6390LV (лJEOL, Япония) с приставкой энергодисперсионного анализа INCA ENERGY (лOxford Instruments, Великобритания) и на микроскопе РЭММА - 102 (Selmi, Сумы, Украина) с энергодисперсионным анализом (EDS) и волновым дисперсионным анализом (WDS). Изучение боковой поверхности рабочей части и мест разрушения, деформированных до разрыва образцов проводили на электронно-зондовом микроанализаторе SUPERPROBE 733 (лJEOL, Япония).
Топографию поверхности покрытий исследовали на атомно-силовых микроскопах JSPM-5200 (лJEOL, Япония) и NT-206 (Белоруссия). Шероховатость поверхности оценивали согласно ГОСТ 2789-7, сравнивая Ra - среднее арифметическое отклонение профиля для покрытий до и после модификации облучением. Металлографическое исследование образцов всех исследуемых материалов проводили на инвертированном фотомикроскопе отраженного света Neophot-21 (лCarl Zeiss, Германия) и на металлографическом микроскопе МИМ-7.
Использовали электролитическое травление образцов.
Для изучения структурно-фазового состава покрытий и подложек применяли рентгеновский дифрактометр XТPert PRO (лPANalytical, Нидерланды), дополнительно для анализа покрытий использовали метод скользящего рентгеновского пучка. Фазовый состав сталей и сплавов изучался так же на рентгеновских дифрактометрах ДРОНЦ3 и Д8 Advance (Bruker AFS, Германия 2000).
Для определения элементного состава покрытий и стальной подложки применяли рентгенофлуоресцентный спектральный анализ с использованием рентгеновских спектрометров JSX-3100RII (лJEOL, Япония) и СРВ-1 (Техноаналит, Казахстан).
Изменение химического состава покрытий по глубине исследовали методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии на JPS-9010MC (лJEOL, Япония).
Анализ концентрации элементов по глубине покрытий методом РОР осуществлен в Объединенном институте ядерных исследований (Дубна, Россия) при помощи электростатического генератора ЭГ-5 (ОИЯИ) для генерации нейтронов различных энергий. Мессбауровские спектры снимались путем регистрации электронов конверсии в геометрии обратного рассеяния (КЭМС-спектры) и -квантов в геометрии прохождения (МС-спектры). Приведены формулы количественной оценки параметров тонкой структуры Одноосное статическое растяжение плоских образцов сплавов 40ХНЮ и 36НХТЮ до разрыва проводили на установке Поляни при комнатной температуре, измеряя условный предел текучести 0,2, предел прочности в и относительное удлинение до разрыва . Высокотемпературные испытания образцов сплавов 40ХНЮ и 36НХТЮ на одноосное растяжение проводили на установке 1246Р-2/25в соответствии с требованиями ГОСТ 951-87 в интервале температур 880-1050С.
Испытания на микротвердость всех образцов проводили на приборе ПМТ-3.
Испытания покрытий на нанотвердость проводились трехгранным индентором Берковича на нанотвердомере Nano Indentor II (MTS Systems Corporation, USA). Для нахождения нанотвердости и модуля упругости при максимальной нагрузке на индентор применялась методика Оливера и Фарра [9]. Испытания покрытий на износостойкость проводили путем измерения объемного уноса материала на установке СМТС - 2 (Украина) по схеме плоскость-цилиндр в среде технического вазелина. Для проведения коррозионных испытаний использовали потенциостат ПИЦ50.1.1, оценивая потенциалы, токи и скорости коррозии покрытий и подложки в кислой среде.
В третьем разделе представлены результаты исследований структурнофазового состава и механических свойств плазменно-детонационных покрытий на основе Ni-Сr (ПГ-10Н-01, ПГ-19Н-01, ПГ-АН-33) и Co-Cr (АН-35) и их стальных подложек, а так же морфологии поверхности покрытий.
Поверхность плазменно-детонационных покрытий представляет собой неоднородный по высоте слой со средним значением параметров шероховатости Ra=400 нм для ПГ-АН-33 (рис.1а); 95,0 нм для ПГ-10Н-01 (рис.1 б), 121,6 нм для ПГ-19Н-01 (рис.1в) и 100,0 нм для АН-35 (рис.1г) а б в г Рисунок 1 - Топография поверхности плазменно-детонационных покрытий из ПГ-АН-33 (а), ПГ10Н-01 (б), ПГ-19Н-01 (в), и АН-35 (г) Для детального анализа тонкой структуры покрытий применяли исследование методами ПЭМ и РСФА на разной глубине от поверхности (послойное исследование), а так же измеряли микротвердость и размеры структурных единиц всех материалов покрытий и подложки на разной глубине от поверхности по косым шлифам.
а - ПГ-19Н-01 б - ПГ-10Н-1 - Ni, 2 - Cr13Ni5Si2, 3 ЦCrNi3, 4 - NiO, 1 - Ni, 2 ЦCrNi3, 3 - Cr2O3, 4 - NiO, 5 - (FeNi) 5- Fe7Niв - ПГ-AН-33 г - АН-1 - Ni, 2 - CrNi3, 3 - FeCr2O3, 4 - Fe, 5 - FeNi3 1 - Co (ГЦК), 1.1 - Co (ГПУ), 2 - CoCr2O4, 3 - Co0.8Cr0.2, 4 - FeCr2O4, 5 - СоО, 6 - (CoFe) Рисунок 2 - Различия в фазовых составах порошков и покрытий и в составах покрытий по глубине от поверхности, установленные по результатам рентгеноструктурного фазового анализа (РСФА) Для основной толщи покрытий в целом характерно формирование -твердого раствора с ГЦК - решеткой на основе основной составляющей покрытия: Со или Ni соответственно, с выделением интерметаллидных фаз: Со0.8Сr0.2 (гексагональная, P63/mmc, а =2,52 ; с=4,062 ) или CrNi3 (ГЦК, Fm-3m, а=3,552 ) или Fe7Ni(ОЦК, Im-3m, а=2,861) или FeNi3,(примитивная кубическая, P 213, a=3,5450 ).
В порошках материалов покрытия до их нанесения методом плазменной детонации интерметаллидные фазы не наблюдаются, они состоят в основном из твердого раствора на основе Ni или Co с ГЦК-решеткой, а в порошке АН-фиксируется так же твердый раствор на основе Со с ГПУ-решеткой, в то же время в них присутствуют в сумме до 10-25 об.% различных фаз - примесей (рис.2).
Из данных эксперимента по послойному анализу очевидно различие по глубине в структурно-фазовом составе покрытий. В процессе нанесения методом плазменной детонации происходит плавление и дробление при ударе о подложку частиц порошка, растворение фаз-примесей и формирование из расплава твердого - раствора, и его распад. Параметр решетки -твердого раствора в данных покрытиях уменьшается по глубине от поверхности и формируется диффузионная зона с повышенной по сравнению с подложкой микротвердостью и большим количеством фаз на основе Fe в контактном с подложкой слое. Подложка представляет -Fe с ОЦК-решеткой с параметром а=2,8662 .
На поверхности покрытий наблюдается тонкий слой (не более 5 мкм толщиной) с аморфизированной структурой твердого раствора, с оксидами и карбидами (толщина и состав тонкого поверхностного слоя установлен методами скользящего рентгеновского пучка и электронно-химического спектрального анализа со стравливанием верхнего слоя покрытия ионами Ar).
Методами ПЭМ установлено, что -твердый раствор в покрытиях из ПГ19Н-01 и АН-35 сформирован нанозернами различной кристаллографической ориентации (рис. 3а), а морфология выделения интерметаллидных фаз пластинчатая (рис. 3в). На рентгеновских дифрактограммах и на кольцевых микроэлектронограммах -фазы отмечается текстура с осью зоны типа <111> (рис.
3б). В контактном с подложкой слое обоих покрытий наблюдаются деформационные полосы (рис. 3в).
а б в Рисунок 3 - ПЭМ-изображения и картины микродифракции: нанозерна с различной кристаллографической ориентацией в покрытии из ПГ-19Н-01(а); микроэлектронограмма покрытия из АН-35 и схема, поясняющая формирование текстуры с осью зоны типа <111>(б);
полосы деформации в контактном с подложкой слое покрытия из ПГ-19Н-01 (в) Области распада твердого раствора представляют собой ламели длиной от нм до 50 нм интерметаллидной фазы CrNi3 с ГЦК-решеткой в покрытии из ПГ-19Н01 (рис. 4а) или Со0.8Сr0.2 гексагональной решеткой в покрытии из АН-35 (рис.5а).
Параметры кристаллической решетки данных фаз и твердого раствора, установленные по расшифровке микроэлектронограмм (рис. 4б и 5б), фактически совпадают со значениями, полученными методом РСФА для данных покрытий.
Каждый индицированный рефлекс интерметаллидной фазы на микроэлектронограммах проверялся методом темного поля (рис. 4в и рис. 5в).
а б в Рисунок 4 - ПЭМ-изображения и картина микродифракции покрытия из ПГ-19Н-01: частицы CrNi3, светлое поле (а); микроэлектронограмма частиц CrNi3, ось зоны [111] (б); частицы CrNi(темное поле), снятые в рефлексе (111) Объемная доля интерметаллидных фаз неодинакова по толщине покрытия, как установлено методами РСФА и ПЭМ (рис.6).
а б в Рисунок 5 - ПЭМ-изображения и картина микродифракции покрытия из АН-35: частицы Со0.8С0.2, светлое поле (а); микроэлектронограмма частиц Со0.8С0.2, ось зоны [001] (б); частицы Со0.8С0.(темное поле), снятые в рефлексе (110) Наблюдается неоднородное распределение микротвердости по глубине покрытия. Максимальные значения микротвердости соответствуют участкам покрытия с наибольшей объемной долей отмеченных интерметаллидных фаз (рис.6). В то же время ход кривых микротвердости показывает наличие переходной зоны с повышенной микротвердостью от покрытия к подложке, что в согласии с данными РСФА позволяет назвать ее диффузионой зоной (рис. 6) Ширина диффузионной зоны оценивается величиной порядка 100 мкм.
Исследована зависимость микротвердости от средних размеров зерен d покрытия, определены коэффициенты Н0 и k для покрытия АН-35 (Н0 =4,1 ГПа, k=1,4 ГПам1/2) в уравнении Холла-Петча.
H = H0 + kd, (1) где Н - значение микротвердости; k - коэффициент, зависящий от природы и структурного состояния металла; Н0 - напряжение, связанное с диссипацией энергии при движении дислокаций в бесконечно большом зерне; d - размер зерна.
Аналогичную трактовку зависимости H d использовали в работах [10,11], посвященных исследованию сверхтвердых тонких пленок.
Рисунок 6 - Распределение микротвердости Н по глубине от поверхности с указанием содержания объемной доли интерметаллидной фазы для покрытия из АН-35 (а); для покрытия из ПГ-19Н-01 (б) Если полагать, что максимальная микротвердость соответствует зернам с интерметаллидными ламелями, а на поверхности - нанозернам размером 1-а нм, то коэффициент k в уравнении Холла-Петча станет отрицательным при уменьшении размеров d до 50 нм. Такой эффект отмечается различными исследователями, результаты которых представлены в монографии [2], посвященной исследованию нанокристаллических интерметаллидных структур, формирующихся при ионнолучевом воздействии.
б По анализу хода зависимости кривой микротвердости от d предположено существование критического размера зерна dкр 50нм при котором происходит прерывистый распад твердого раствора матрицы покрытия и меняются его прочностные свойства. По порядку величины dкр совпадает с данными эксперимента для размера участков, где происходит выделение ламелей интерметаллидных фаз.
В четвертом разделе на основе анализа экспериментальных результатов разработана схема строения плазменно-детонационных покрытий (рис. 7) и модель распада твердого раствора с выделением ламелей интерметаллидной фазы. Анализ структурно-фазового состояния покрытий методами АСМ, ПЭМ РЭM и рентгеноструктурного фазового анализа позволил сделать предположение о послойной (зонной) структуре покрытия и предложить модель строения покрытий, нанесенных методом плазменной детонации на стальные подложки. На рис. приводится разработанная схема строения плазменно-детонационного порошкового покрытия.
Первая зона - поверхность покрытия, характеризуется аморфизацией твердого раствора и наличием оксидов.
Вторая зона имеет структуру с более крупными вытянутыми зернами. Эти зерна (их поперечное сечение порядка 5 мкм в диаметре) со светлым граничным контрастом мы наблюдаем на фото фольг покрытий, исследованных методами сканирующей электронной микроскопии (рис.8).
Толщина второй зоны фактически совпадает с толщиной покрытия. Внутри вытянутых зерен наблюдается структура из кристаллографически разориентированных нанозерен и образуются области упорядоченного твердого раствора размерами 50 нм, внутри которых происходит распад твердого раствора с выделением ламелей интерметаллидных фаз (рис.7 б).
Рисунок 7 - Схематическое изображение строения покрытий, нанесенных методом плазменной детонации на стальную подложку:
1-аморфный слой с оксидами и карбидами;
2-текстурированная матрица покрытия (твердый раствор на основе главной составляющей покрытия с выделением интерметаллидных фаз) и нерасплавленные частицы порошка покрытия;
а б 3Цпереходный слой от покрытия к подложке, с областями деформации в покрытии, с мелко раздробленными частицами порошка;
4 - переходный слой с измельченными зернами подложки;
5 - подложка.
Штрихами в зернах показаны области распада твердого раствора с выделением ламелей интерметаллидных фаз. Рис. 7б поясняет строение зерна покрытия и иллюстрирует выделение интерметаллидных фаз.
Рисунок 8 - РЭМизображения поверхности фольг покрытий из ПГ19Н01(а) и из АН-35 (б), полученные в режиме вторичных электронов а б В основном структура покрытий нанокристаллическая по всей толщине с объемной долей порядка 20 - 30% наноразмерных ламелей интерметаллидных фаз.
Причина формирования разориентированных нанозерен - высокая дефектность микроструктуры, обусловленная деформацией из-за ударного воздействия плазменной струи на поверхность и высокого градиента температуры в покрытии.
Для релаксации механических напряжений в покрытии формируется субструктура из нанозерен различной кристаллографической ориентации. Формируется субструктура, сходная с фрагментированной, с разориентацей фрагментов - нанозерен, аналогичной наблюдаемой при полигонизации кристаллов.
Сформировавшиеся наноструктуры устойчивы при комнатных температурах, наблюдаются в фольгах покрытий, нанесенных несколько месяцев и даже лет назад, снижения прочностных свойств покрытий со временем так же не наблюдается.
Ширина этой зоны составляет 100-150 мкм.
На кольцевых микроэлектронограммах этих областей при падении электронного пучка нормально к поверхности покрытия отмечается различимая текстура, с осью зоны типа <111>, соответствующая волокнистой текстуре роста зерен вдоль теплового потока в покрытии. В силу хаотичного расположения кристаллитов относительно друг друга в мелкодисперсных агрегатах, на кольцевой микродифракционной картине есть все кольцевые рефлексы, характерные для ГЦКкристаллической решетки, но кольцевые рефлексы плоскостей (220), (422), (440), принадлежащие текстуре с осью зона типа <111> обладают большей интенсивностью (рис. 3 б).
Третья зона (3 и 4 на рис. 7а) является переходной (диффузионной) зоной.
Она характеризуется дефектами в материале покрытия (обнаружены методами ПЭМ), мелкозернистой структурой стали подложки (измельчение зерен от 30 до мкм за счет деформации при ударе порошка покрытия о поверхность и последующего быстрого нагрева и охлаждения) и началом развития текстуры по отношению к исходной структуре материала. Структурно-фазовый состав данной области представляет смену твердого раствора на основе материала покрытия на твердый раствор на основе железа с ОЦК - структурой. Предполагается диффузия основных составляющих элементов покрытия (Ni или Со, соответственно) в подложку и Fe из подложки в покрытие. Ширина диффузионной зоны оценивается в среднем в 100 мкм: 50 мкм - в покрытии и 50 мкм в подложке.
Для пояснения термодинамической выгодности пластинчатого выделения CrNi3-фазы с ГЦК структурой в покрытиях на основе Ni-Сr рассмотрели термодинамическую систему в двух точках: в начале структурно-фазовых превращений и по их окончании. Полагали, что тип конечной структуры будет определяться только энергетической выгодностью процесса. Исходили из предположения, что оптимальная форма выделения - ламеля, толщина которого постоянна и много меньше всех остальных линейных размеров, определяется из условия минимума суммы упругой и поверхностной энергии при дополнительном условии постоянства объема. В данном случае выбор пути эволюции системы будет обоснованно определяться наибольшим изменением свободной энергии. Исходное состояние пересыщенного твердого раствора представляли в виде кубического зерна размером d, а выделяющиеся частицы CrNi3 - фазы в виде стержней протяженностью L и радиусом r, расположенных равномерно по всему объему (рис.
7б). Рост частиц CrNi3 при этом контролируется зернограничной диффузией.
Предположили, что при развитии комплексной непрерывной реакции, частицы CrNi3 - фазы имеют сферическую форму и расположены на границе зёрен. В рамках данной модели критический размер исходного зерна при выделении избыточной фазы определяется как (2).
3 3 r( -1), (2) dкр = r 3 4 2 CrNiгде удельная поверхностная энергия границы между и CrNi3 фазами, когда CrNiCrNi3-фаза выделяется прерывисто в виде ламелей; - объемная доля выделившейся фазы; - удельная поверхностная энергия границы, которая является поверхностью раздела между - матрицей и CrNi3 - фазой, когда CrNi3 выделяется по непрерывному механизму в виде сферической частицы. Для расчета использовали свои экспериментальные данные для -объемной доли частиц фазы, выделяющейся в виде ламелей и их среднего радиуса r=2,5 нм (рис. 7б) и известные данные для выделения когерентной Цфазы (Ni3Al упорядочение по типу Ll,) с ГЦК Црешеткой из никелевой ГЦК матрицы, полагая, что они по порядку величин согласуются с нашим экспериментом =0.3 Дж/м2, ==0.015 Дж/м CrNi[7]. Расчет дает критическую величину исходного размера зерна для покрытия ПГ19Н-01 dкр 35нм, что по порядку величины совпадает с данными эксперимента для размера областей выделения интерметаллидной фазы (d=30-50 нм). Анализируя ход кривых зависимости изменения свободной энергии системы от размера исходного зерна при выделении избыточной фазы построенных в рамках данной модели, можно предположить, что при размерах зерен меньше dкр энергетически предпочтительнее прерывистый распад с выделениями фазы в виде ламелей, что и наблюдается в нашем эксперименте.
Разработанную схему строения покрытий использовали для проведения численного эксперимента по расчету температурных профилей в материале покрытий и подложки при импульсном плазменном и при электронном облучении.
За счет относительно небольшого объемного содержания интерметаллидных фаз в толще покрытий рассматривали двухслойные покрытия Ni-Fe и Со-Fe облучаемые со стороны Ni и Со соответственно. Предварительно провели аналитическую оценку энергии, необходимой для плавления покрытий определенной толщины из Ni и Со при импульсном нагреве плазменной струёй в зависимости от плотности мощности струи, длительности импульса и времени облучения. На основе гипотезы термоупругих волн нашли законы распределения концентрации Ni и Со в Fe при облучении железной пластины со слоем Ni или Со на поверхности импульсами длительностью порядка от 10-6 с до 10-3 с, полагая, что в общем случае деформации в твердом теле описываются уравнением Ламе (3) [12]:
2w w ( ) = + grad divw + 2w - (3), t tгде - плотность образца; w - вектор перемещения какой-либо точки из положения равновесия; и - коэффициенты Ламе; - коэффициент внутреннего трения.
Методом Фурье нашли решение уравнения Ламе в виде Бесселевой функции, описывающей затухающую в пространстве и во времени поперечную волну.
Полагаем, что колебания с поверхности распространяются вглубь образца в виде поперечных волн, скорость которых С2 зависит от плотности и модуля сдвига N = материала подложки.
N с2 =, (4) По модели эта поперечная волна является носителем атомов Со или Ni, т.е.
под воздействием этой волны происходит переносная диффузия y 2y y = D - c, (5) t x2 x где y - концентрация элементов покрытия в подложке; x - глубина; D - коэффициент диффузии. Данное уравнение (5) имеет решение вида (6) y = А2еk (t-x / c 2) + A0, (6) где А0, А2 и k - постоянные, находящиеся из начальных и граничных условий.
Полагали, что атомы из покрытия будут увлекаться внутрь подложки до тех пор, пока амплитуда колебаний не уменьшится в е раз. Провели расчеты в рамках данной модели, которые показали, что концентрация Ni или Со в Fe должна уменьшаться с глубиной по показательному закону, причем эффект увлечения атомов определяется длительностью импульса (чем короче импульс, тем заметнее эффект).
Численный эксперимент по определению температурных профилей при облучении проводили методами математического компьютерного моделирования.
Расчет распределения температурного профиля при воздействии импульсной плазменной струи на образец с покрытием (два слоя поглотителя Ni-Fe и Со-Fe) проведен при помощи лицензионной программы Diffpack Encounter.
Оптимальным полагали вариант нагрева верхнего тонкого слоя покрытия до температуры плавления и нагрев покрытия на всю толщину с целью его гомогенизации. Рекомендованные режимы облучения: плотность мощности плазменной струи от 1109 до 3109 Вт/м2 (толщина покрытия от 150 мкм до 300 мкм), длительность импульса 10 мкс, частота следования импульсов 2,5 Гц. В расчетах использована прямоугольная форма импульса. Проведено облучение по расчетному режиму покрытий из ПГ-19Н-01и АН-35.
Для расчёта температурных полей в двухслойных поглотителях при электронном облучении численными методами было решено одномерное уравнение Фурье с учетом внутренних источников тепла:
T 2T d j C = + (E0 - E), p (7) t x2 dx e Дж где Cp - теплоемкость единицы объема, ; - коэффициент см30С теплопроводности, Вт/смК; t - время, с; x - координата; T = T ( x ) - вычисляемая А температура; E - энергия пучка электрона, Дж; j - плотность тока, ; e - заряд см электрона, Кл.
В модели принято, что отток энергии на поверхности осуществляется только излучением в приближении чёрного тела.
Реализована программа расчётов на языке Delphi, проведены расчёты температурных профилей в двухcлойных поглотителях (Ni-Fe) в зависимости от параметров и условий облучения. На основании расчётов предложены режимы облучения, приводящие к формированию температурных профилей с максимумом на поверхности покрытий, с градиентами порядка 3000С/м. Рекомендованы параметры электронного облучения для модификации двухслойных поглотителей Ni-Fe в вакууме: энергия пучка 30 кэВ, плотности тока пучка 20-30 мА/см2, режим облучения непрерывный. По расчетам для таких режимов поверхность покрытия нагревается до плавления, затем температура резко убывает с глубиной до границы покрытия. Проведено облучение покрытий ПГ-10Н-01и ПГ-АН-33 по расчетным режимам.
В рамках данной модели рассчитан режим электронного облучения сплавов 40ХНЮ и 36НХТЮ, приводящий к нагреву плоского образца до температуры порядка 400C для инициации процессов распада и ускорения процессов упорядочения при низкотемпературном старении. Рекомендованный режим облучения непрерывный, энергия пучка 2 МэВ, плотность тока на образце 1,мкА/мм2, длительность облучения от 1 до 3-х часов. Проведено облучение по указанным режимам в воздушной среде.
В пятом разделе приведены результаты исследования структурно-фазовых превращений в покрытиях на основе Ni-Сr и Co-Cr, оплавленных электронным пучком или импульсной плазменной струей по расчетным режимам. Проведено сравнение структуры и свойств покрытий до и после их модификации облучением.
Проанализирована эволюция микроструктуры и фазового состава покрытий, обусловленная нагревом при облучении.
После облучения шероховатость покрытий резко уменьшается (рис.9). для ПГ-10Н-01 (рис.8 в) и 100 нм для ПГ-АН-33, поверхность покрытия оплавлена, как было рассчитано, шероховатость уменьшается.
а б в г Рисунок 9 - Топография поверхности плазменно-детонационных покрытий из ПГ-АН-33 (а), ПГ10Н-01 (б), ПГ-19Н-01 (в) и АН-35 (г) после облучения Средние значения параметров шероховатости модифицированных покрытий Ra составляют 100,0 нм для ПГ-АН-33 (рис.9 а), 18,0 нм для ПГ-10Н-01 (рис.9 б), 30,5 нм для ПГ-19Н-0 и 53,0 нм для АН-35 (рис. 9 г).
За счет нагрева при облучении покрытия делаются структурно гомогенными, формируется мелкозернистая структура со средним размером зерна мкм (рис. 10). Увеличивается объемная доля твердого раствора и доля интерметаллидных фаз за счет ускорения диффузионных процессов при импульсном плазменном и непрерывном электронном облучении (рис. 11).
Наличие Мо на поверхности подтверждается данными РЭМ с микроанализом, а так же методом РОР обнаружена высокая концентрация Мо на глубине до 12 мкм (до 20 ат.%) в покрытии ПГ-19Н-01 (рис. 11 и рис.12).
Появление Мо на поверхности облученных плазменной струей в импульсном режиме покрытий ПГ-19Н-01 и АН-35 обусловлено его попаданием в материал из Мо электрода при импульсно-плазменном облучении.
Происходит дополнительное легирование поверхности покрытий Мо за счет импульсноплазменной обработки. В то же время Мо Рисунок 10 - Микроструктура покрытия является составляющим элементом порошка из ПГ-АН-33 после облучения ПГ- АН-33, что объясняет формирование при облучении электронным пучком фазы Mo2C в покрытии из ПГ-АН-33.
Результаты измерений микротвердости по глубине от поверхности для обработанных электронным пучком и импульсной плазмой покрытий и кривые износа для покрытий и подложек представлены на рис. 13 в сравнении с аналогичными зависимостями для покрытий до модификации а - ПГ-19Н-01 б - ПГ-10Н-1 - Ni, 2 - Cr13Ni5Si2, 3 - CrNi3, 4 - NiO, 1 - Ni, 2 - CrNi3, 3 - Cr2O3, 4 - NiO, 5 - FeNi3, 5 -FeNi3, 6 - Mo 6 - Fe7Ni3, 7 - FeNi в - ПГ-AН-33 г - АН-1 - Ni, 2 - CrNi3, 3 - FeO,Cr2O3, 4 - Fe, 5 - FeNi3, 1 - Co (ГЦК), 2 - Co0.8Cr0.2, 3 - FeCr2O4, 4 ЦСоО, 6 - Mo2C 5 - (CoFe), 6 - Mo Рисунок 11 - Сравнение фазовых составов покрытий до (светлые столбики) и после (темные столбики) ИПО (ПГ-19Н-01 и АН-35) и электронного облучения (ПГ-10Н-01 и ПГ-АН-33) а б Рисунок 12 - Энергетические спектры Резерфордовского обратного рассеяния ионов Не4+2 с энергией Е=2,035 МэВ (а) и протонов с энергией Е=2,012 МэВ, снятые с поверхностного слоя покрытия из ПГ-19Н-а б в г д е Рисунок 13 ЦИзменение микротвердости и износостойкости модифицированных покрытий:
графики распределения по глубине от поверхности микротвердости покрытий из ПГ-19Н-01(а), ПГ-10Н-01(б), АН-35 (в) и ПГ-АН-33 (г) до (1) и после дополнительного облучения (2);
кривые износа, полученные на подложке (1), исходных покрытиях (2) и после модификации облучением (3) покрытий из ПГ-19Н-01(д), ПГ-10Н-01(е) и АН-35 (ж) ж Покрытия на основе Ni-Cr после модификации показывают хорошую стойкость к коррозии (табл.3).
Очевидно изменение характера распределения микротвердости по сравнению с необлученными покрытиями (рис. 13 а, б, в, г). Ширина упрочненной переходной диффузионной зоны увеличивается и достигает в среднем 150 мкм. Микротвердость покрытий увеличивается после облучения в среднем на 25 %. Износостойкость модифицированных покрытий увеличилась в среднем в 2-3 раза (рис. 13 д, е, ж).
Основой для изменения служебных характеристик покрытий, модифицированных облучением, является увеличение объемной доли упрочняющих дисперсных интерметаллидных фаз, гомогенизация микроструктуры покрытия (формирование мелкозернистой однородной микроструктуры, увеличение объемной доли твердого раствора), уменьшение шероховатости поверхности за счет оплавления поверхности электронным пучком или плазменной струей и увеличение ширины диффузионной зоны.
Таблица 3 - Результаты тестов на стойкость к коррозии Материал Потенциал Ток коррозии Ток Потенциал Скорость коррозии i kor (мА) пассивации пассивации коррозии корр (мВ) i pas (мА) pas (мВ) vкорр (мм/год) Результаты тестов на стойкость к коррозии в 0,5 м H2SOПодложка Ст.3 -685 5,70 2,52 1352 3,Покрытие из ПГ-10Н-01 3,-330 0,78 1,1 10Покрытие из ПГ-10Н-01 после -278 0,59 0,82 984 2,обработки электронным пучком Результаты тестов на стойкость к коррозии в 3 %- м растворе NaCl Подложка Cт.3 -490 5,20 2,00 1390 3,Покрытие из ПГ- 19Н-01 после -380 0,89 1,00 1170 2,ИПО Во всех покрытиях, как после обработки импульсной плазменной струей, так и после непрерывного электронного облучения наблюдается эффект проникновения материалов покрытия с наибольшей концентрацией, т.е. Ni и Co в подложку(рис.14, pис.15 и рис.16, табл.4).
Рисунок 14 - Изображение остаточного слоя оплавленного покрытия из АН-35 (а) и подложки и карта распределения элементов в них (б) а б Рисунок 15- Изображение поперечного сечения покрытия из ПГ-10Н-01 после облучения электронами (а) на стальной подложке и соответствующая карта распределения Ni в покрытии и подложке (б) а б По рис. 14 б и рис.16 с табл.4 видно, что в случае ИПО происходит так же проникновение Fe из подложки в покрытие, что обусловлено ударным воздействием плазменной струи.
Таким образом, предполагаемое при выборе режимов облучения ускорение диффузионных процессов в облученных образцах подтверждается экспериментально. Помимо физических характеристик (плотности, удельной теплоемкости, теплопроводности, модуля сдвига и т.д.) облучаемых материалов, основным фактором, определяющим ширину диффузионной зоны в случае импульсного облучения, является длительность импульса и плотность мощности плазменной струи, а в случае непрерывного электронного облучения - энергия и плотность тока электронного пучка (от этих параметров зависит градиент температурного профиля в материале).
Таблица 4. Результаты анализа по глубине элементного состава (в вес.%) покрытия из ПГ-19Н01 после оплавления и стальной подложки в точках, указанных на рис.Спектр Si Cr Mn Fe Ni Итог Примечание Спектр 2.76 11.56 44.75 40.93 100.00 поверхность 1 покрытия Спектр 1.99 7.97 59.96 30.09 100.00 Покрытие Спектр 1.60 6.06 0.42 68.16 23.75 100.00 покрытие, 3 переходный слой Рисунок 16 - Изображение Спектр 0.31 0.55 84.02 15.12 100.00 подложка, поперечного сечения 4 переходный оплавленного покрытия из ПГслой 19Н-01 на стальной подложке.
Спектр 0.50 89.37 10,13 100.00 подложка Указана разметка съемки для микроанализа Рассчитанные по данным измерений нанотвердости Н модули Юнга Е* и H вычисленное соотношение для покрытий до и после их модификации E* H облучением, приведены на рис. 17. Так как коэффициент пропорционален E* сопротивлению материала пластической деформации [11], можно сделать вывод о том, что облучение повышает пластичность покрытий, не снижая при этом их прочностные свойства.
Методом Мессбауэровской спектроскопии установлено, что в матрице покрытия из ПГ-АН-33 в области, контактной с подложкой наблюдаются после электронного облучения мельчайшие частицы -Fe, что так же подтверждает ускорение диффузионных процессов при облучении.
При облучении формируется мелкозернистая однородная структура покрытий с объемной долей -твердого раствора до 85%, который распадается с выделением интерметаллидных фаз (результаты РСФА). Идет выделение интерметаллидных упрочняющих фаз, их объемная доля увеличена по сравнению с покрытиями до облучения (рис.11), ширина диффузионной зоны между покрытием и подложкой увеличивается в среднем на 50 мкм. Следствием структурно-фазовой перестройки является повышение нано и микротвердости, коррозионной и износостойкости покрытий.
а б Рисунок 17 - Сравнение прочностных свойств: Е, ГПа (а), Н3/Е*, ГПа(б), модифицированных покрытий из: 1 ЦПГ-АН-33, 2 - ПГ-19Н-01, 3 - АН-35, 4-ПГ-10Н-01и подложки В шестом разделе исследовано влияние степени деформации прокаткой на структурно-фазовое состояние аустенитных сплавов 40ХНЮ и 36НХТЮ и их механические свойства, также исследовано влияние электронного облучения на микроструктуру и механические свойства образцов сплавов 40ХНЮ и 36НХТЮ, предварительно подвергнутых разным режимам термомеханической обработки.
Установлено, что при прокатке сплавов на разные степени деформации образуются фрагментированные и ячеистые структуры [3], определены их параметры и эволюция в ходе последующего нагрева и облучения. Электронное облучение с длительностью 3 часа (флюенс 1019 e/см2) сильно деформированных сплавов приводит к уменьшению размеров фрагментов и толщины их границ, но плотность дислокаций по порядку величины та же, что в сплавах до облучения(1см-2) (табл. 5).
В сплаве 40ХНЮ формируется только структура микродуплекс из микронных зерен - и - фазы после деформации с = 80% и последующего старения, в прокатанном с = 99% сплаве 36НХТЮ в температурном интервале 850-900С при старении идет медленная реакция огрубления по прерывистому механизму сформированной при малых временах старения микродуплексной структуры и выделение из - твердого раствора стержнеобразных пластин - фазы (стабильная фаза Ni3Ti, типа D024).
Таблица 5. Характеристики дислокационной структуры деформированных = 80-99% сплавов 40ХНЮ и 36НХТЮ Элементы структуры до облучения после облучения Средний размер фрагментов, нм 280-330 200-2Ширина стенки фрагмента, нм 60 Коэффициент неравноосности фрагментов 1,44 1,Плотность дислокаций, см-8,7 108 8,9 1Таким образом, в сильнодеформированном сплаве 36НХТЮ сохраняется морфология прерывистого распада, но вместо прерывистого выделения метастабильной -фазы (Ni3Al, тип L12) происходит прерывистое выделение стабильной -фазы. Подтверждена применимость реакции прерывистого выделения избыточных фаз для создания ультрамелкозернистой структуры дисперсионнотвердеющего сплава 36НХТЮ. Сплав с таким типом структуры проявляет свойства сверхпластичности (АС в приложении). Установлено,что сплав 40ХНЮ после прокатки со степенями обжатия =80-90%, подвергнутый высокотемпературной деформации проявляет свойства сверхпластичности. Наибольшей величины, равной 0,71, показатель скоростной чувствительности напряжения течения m достигает при Топт = 980 С и при скорости деформации опт = 9,310-3 с-1.
Результаты ПЭМ и рентгеноструктурного фазового анализа образцов сплавов 40ХНЮ и 36НХТЮ в сравнении с анализом тех же образцов после электронного облучения показали, что после облучения не изменяется вид крупнозернистой структуры в закаленных образцах, а в облученных после прокатки с = 50% и старения при 900С (5 часов) образцов сплава 40ХНЮ интенсивность пиков и -фаз на рентгенограммах заметно увеличивается. Частицы -фазы, сформированные в основном внутри зерен-фазы и по границам зерен -фазы, на отдельных участках увеличиваются в размерах до 1 мкм (рис. 18 а), их объемная доля в сплаве увеличивается до 15 %. Границы зерен -фазы в основном свободны от выделений -фазы (рис.18 г).
а б в г Рисунок 18- Микроструктура сплава 40ХНЮ после МТО 1250С (2 мин.)+ = 50% + 900С (5 ч) и облучения: общий вид микроструктуры (а); микродифрактограмма участка, показанного на рис.
18а (б); темнопольное изображение частицы -фазы в рефлексе, отмеченном стрелкой на рис. 18б (в); свободные от выделений границы зерен -фазы (г) После облучения незначительно меняются параметры решеток фаз деформированного с =80% сплава 40ХНЮ, но тип микроструктуры микродуплекс из микронных зерен и -фаз не меняется (рис. 19). В зернах -фазы присутствуют изгибные экстинкционные контуры, свидетельствующие об искажениях ее кристаллической решетки.
а б в Рисунок 19 - Структура микродуплекс в сплаве 40ХНЮ: после прокатки с =80% и старения при 900С (5 часов) (а), после прокатки с =80% и старения при 900С (5 ч) +облучение электронами с флюенсом 1019 е/см2 (б), темнопольное изображение участка облученного образца (в) На электронно-микроскопических снимках, сделанных от состаренных с течение 10 минут образцов деформированного сплава 36НХТЮ (рис. 20), видно, что в нем в основном формируется субзеренная структура микродуплексного типа с большим числом дислокационных скоплений различной мощности. Дислокации сосредоточены в местах, где имеются мелкие частицы - и - фаз, выделившиеся в ходе комплексной непрерывной реакции. В образцах данного сплава, состаренных около 1 часа, структура состоит практически полностью из зерен -матрицы с пластинами - фазы, формирующимися в ходе огрубления субзеренной структуры по прерывистому механизму. Размер зерен -матрицы не превышает 3 мкм.
Рисунок 20 - Несовершенная структура микродуплекс в закаленном и прокатанном с =97% сплаве 36НХТЮ после старения при 850С (10 мин) Структура закаленного и прокатанного с = 97% сплава 36НХТЮ после старения при 850С (1час) а б Электронное облучение данных микроструктур приводит к интенсификации процессов зарождения и роста частиц - фазы, одновременно приводя к уменьшению среднего размера зерен -матрицы от 2-3 мкм до 1,0-1,5 мкм (рис.21).
Рисунок 21 - Микроструктура закаленного и прокатанного с = 97% сплава 36НХТЮ после старения при 850С (1час) и электронного облучения Установлено, что электронное облучение увеличивает пластичность сплава 40ХНЮ, прокатанного с 80%, причем прочностные свойства при этом не снижаются (рис.22 а).
Объемная доля - фазы в образцах после облучения возрастает в среднем на 7%. Относительное удлинение до разрыва увеличивается у облученных после старения образцов в среднем на 40% (рис. 22 б).
После высокотемпературного старения меняется фазовый состав сплава, поэтому механические свойства состаренных образцов представлены в виде табл. 6.
Облучение приводит к повышению значений относительного удлинения до разрыва, причем в случае облучения сплава с ТМО, включающей прокатку со степенью обжатия 50 % (табл.6), одновременно повышаются и прочностные свойства сплава.
Рисунок 22 - Зависимость механических свойств сплава 40ХНЮ от степени деформации прокаткой и облучения (а); влияние времени старения при 850С на пластичные свойства (%) сплава 36НХТЮ, подвергнутого предварительной прокатке на 99% (б), где 1 - необлученный, 2 - облученный сплав а б Таблица 6. Механические свойства сплава 40ХНЮ, подвергнутого старению после прокатки и электронному облучению Режим МТО 0,2, МПа в, МПа , % 1. 1250С (2)+ = 50% + 900С (5 ч.) 811,945,9 1056,66,2 2,20,Режим 1 + электронное облучение 876,128,7 1257,532,7 6,40,2. 1250С (2)+ = 80% + 900С (5 ч.) 1068,144,8 1242,019 7,40,Режим 2 + электронное облучение 815,267,9 1183,350,9 9,40, Фрактография подтверждает повышение пластичности облученных образцов, вид их излома вязкий, ямки излома имеют меньший диаметр, отсутствуют области хрупкого разрушения, занимавшие до 30% площади излома необлученных прокатанных образцов (рис.23). При этом прочностные свойства фактически неизменны. Исследована зависимость прочностных свойств и изменений структурно-фазового состава обработанного по режимам 1 и 2 (табл. 6) сплава 40ХНЮ от величины флюенса. Установлено, электронное облучение с разными флюенсами 31018, 61018 и 1019 e/см2 приводит к различному изменению механических свойств в состаренном при 900С (5 часов) после деформации с = 50% и с = 80% сплаве 40ХНЮ.
а б Рисунок 23 - Вид поперечного излома образцов сплава 40ХНЮ после ТМО 1250С (2 мин.) + = 50% (а) и после той же ТМО и электронного облучения с флюенсом 1019 e/см2 (б) Оптимальное сочетание прочности и пластичности достигается в сплаве, облученном с флюенсом 1019e/см2 после прокатки с = 50% и старения при 900С (часов) за счет увеличения объемной доли упрочняющих дисперсных частиц -фазы.
Причины увеличения пластичности облученных после указанной ТМО образцов сплава 40ХНЮ - это наблюдаемое методами ПЭМ освобождение границ от частиц -фазы (рис. 18 г), что обеспечивает их большую подвижность при деформации.
Следовательно, -фаза зарождается внутри зерна (ее объемная доля в облученном сплаве увеличивается), что возможно за счет изменении концентрации растворенных атомов-примесей в твердом растворе и служит подтверждением протекания ускоренных диффузионных процессов, стимулированных облучением.
Экспериментально подтверждается правильность расчетов параметров электронного облучения, приводящих к нагреву сплавов до температур не выше 400С, так как в облученных сплавах не происходит фазовых превращений, характеризующих достижение высоких температур в образцах. Подтверждается предположение об инициации процессов распада твердого раствора при электронном облучении. Электронное облучение с флюенсом 1019 e/см2 приводит к росту размеров частиц упрочняющей -фазы в состаренном при 900С после деформации с = 50% сплаве 40ХНЮ и к увеличению их объемной доли в материале. Интенсифицируются процессы зарождения и роста частиц - фазы в состаренном при 850С после деформации с = 99% сплаве 36НХНТЮ. В этих облученных сплавах формируются структуры из микронных зерен, с высокими свойствами прочности и пластичности, лучше, чем в материале до облучения.
Анализируя результаты исследования, можно рекомендовать конкретные режимы обработки сплавов, приводящие к формированию в сплаве 40ХНЮ микроструктуры, обладающей хорошими механическими свойствами при эксплуатации в диапазоне комнатных температур: 1250С (2 мин.)+ = 50% + 900С (5 часов) + электронное облучение с флюенсом 1019 e/см2. Локальное непрерывное электронное облучение может повысить пластичность прокатанного со степенью обжатия = 80% сплава 40ХНЮ, не снижая его прочностных свойств.
Для сплава 36НХТЮ рекомендована ТМО 970С (20 мин.)+ = 99%+850С (1 час), приводящая к формированию мелкодисперсной структуры прерывистого распада с выделением частиц интерметаллидной - фазы, + электронное облучение с флюенсом 1019 e/см2, приводящее к увеличению пластичности.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Установлено, что покрытия на основе Co-Cr и Ni-Cr, нанесенные на стальные подложки методом плазменной детонации, имеют отличия в структурно-фазовом строении по глубине. На поверхности покрытий наблюдается тонкий слой (не более 5 мкм толщиной) с аморфизированной структурой твердого раствора, с оксидами, Основная толща покрытий сформирована из кристаллографически разориентированных нанозерен аустенитной матрицы размером до 50 нм и наноразмерных ламелей интерметаллидных фаз диаметром около 5 нм и длиной до 50 нм. Определены типы и параметры решеток, объемная доля фаз в разных по глубине слоях покрытия. С глубиной от поверхности уменьшается параметр решетки твердого раствора и увеличивается число фаз на основе Fe - основной компоненты подложки. В контактном с подложкой слое покрытия деформированы.
2. Определено распределение микротвердости покрытий по глубине от поверхности и установлено существование диффузионной зоны в контактном слое покрытия с подложкой, определено структурно-фазовое состояние и толщина этой зоны.
Показано, что дисперсно-выделяющиеся в твердом растворе частицы интерметаллидных фаз CrNi3 и Со0.8Сr0.2 являются упрочняющими, наибольшая микротвердость покрытий соответствует тем участкам покрытия, где максимально объемное содержание данных фаз.
3. Определен коэффициент k в уравнении Холла-Петча для материала плазменнодетонационного покрытия из порошка АН-35. Установлено существование критического размера зерна аустенитной матрицы dкр=30-50 нм, характеризующийся изменением коэффициента k в уравнении Холла-Петча. В таких зернах происходит распад твердого раствора с выделением ламелей упрочняющей фазы.
4. Предложена модель строения плазменно-детонационных покрытий на основе СоCr и Ni-Cr, представляющая собой собственно покрытие и диффузионную зону, которая может быть применена широкому классу толстых порошковых покрытий, полученных методом скоростного осаждения при импульсной плазменной детонации. Обоснована энергетическая выгодность типа распада по прерывистому механизму при достижении критического размера зерна никелевой матрицы.
Прикладное значение модели в том, что она использована для расчетов режимов дополнительного облучения при модификации покрытий.
5. Разработан алгоритм расчёта температурных профилей в двухслойных поглотителях в зависимости от параметров и условий облучения при обработке материалов электронными пучками и плазменной струей и реализована программа расчётов. Проведены оценочные расчеты концентрации основных элементов покрытия (Ni или Со) в материале подложки при импульсном облучении на основе гипотезы термоупругих волн, возникающих при импульсном облучении. На основании модельного эксперимента предложены режимы облучения, приводящие к формированию температурных профилей с высокими градиентами для стимулирования диффузионных процессов и увеличения ширины сформированной при нанесении покрытий диффузионной зоны от покрытия к подложке. Проведено облучение покрытий и сплавов 36НХТЮ и 40ХНЮ по рекомендованным режимам.
6. Экспериментально подтверждено диффузионное перераспределение Со или Ni в подложку и уширение диффузионной зоны при модификации покрытий проходом импульсной плазменной струи или облучении электронным пучком. Установлено, что облучение импульсной плазменной струей приводит так же к легированию покрытия материалом эродируемого электрода и к проникновению основного элемента подложки (Fe) в материал покрытия.
7. Уровень шероховатости покрытий после облучения по расчетным режимам снижается в 2-4 раза. Износостойкость модифицированных покрытий в 2-3 раза выше по сравнению с износостойкостью покрытий до облучения. Покрытия устойчивы к коррозии в морской воде и в серной кислоте. Микротвердость модифицированных покрытий возрастает в среднем на 25% по сравнению с микротвердостью покрытий до облучения, нанотвердость облученных покрытий повышается, а модуль Юнга снижается, что свидетельствует об увеличении пластичности данных покрытий. Установлено, что основой для изменения служебных характеристик служит увеличение размеров диффузионной зоны, увеличение объемной доли упрочняющих интерметаллидных фаз, формирование достаточно однородной мелкозернистой структуры в облученных покрытиях и оплавление поверхности покрытия.
8. Установлены параметры деформационной структуры сплавов 40ХНЮ и 36НХТЮ и выявлены закономерности влияния степени деформации прокаткой для сплава 40ХНЮ и времени старения для сплава 36НХТЮ на их прочностные и пластические свойства. Установлена морфология структурных и фазовых превращений после разных режимов ТМО и после электронного облучения сплавов 40ХНЮ и 36НХТЮ и сопоставлена с изменениями их механических свойств. Показано, что электронное облучение с флюенсом 1019 e/см2 не меняет типы ранее сформированных в сплавах микроструктур, но ускоряет диффузионные процессы.
9. Установлено, что непрерывное электронное облучение с флюенсом 1019 e/смприводит к изменению некоторых характеристик деформационной структуры сплавов 36НХТЮ и 40ХНЮ: к измельчению фрагментов и утончению их стенок, но не меняет порядок величины, характеризующей плотность дислокаций. Облучение с такими параметрами инициирует процессы зарождения и роста частиц интерметаллидных упрочняющих фаз в состаренных после деформации прокаткой сплавах 36НХТЮ (увеличение объемной доли - фазы в среднем на 7%) и 40ХНЮ (увеличение объемной доли -фазы в среднем на 15%), что сопровождается двукратным уменьшением среднего размера зерен -матрицы. Формируются структуры из микронных зерен, с высокими свойствами прочности и пластичности, лучше, чем в материале до облучения.
10. На основе анализа результатов исследования рекомендованы конкретные режимы обработки исследуемых сплавов, приводящие к формированию в них структур с микронными зернами, обладающих хорошими физико-механическими свойствами при эксплуатации в диапазоне комнатных температур. Для плазменнодетонационных покрытий на основе Ni-Cr и Co-Cr рекомендованы режимы дополнительного облучения, приводящие к увеличению их твердости, коррозионной и износостойкости (подтверждено актами производственных испытаний). Для сплавов на основе Ni-Cr и Fе-Ni-Cr разработаны режимы ТМО, приводящие к увеличению их технологической пластичности (АС), а также предложены режимы облучения, повышающие пластичность исследуемых сплавов.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Алонцева Д.Л., Гребнева В.С. Моделирование температурных профилей и их градиентов в двухслойных поглотителях Ni-Cr и Cr-Ni при электронном облучении// Вычислительные технологии, том 8, 2003. - С. 16-2. Алонцева Д.Л., Погребняк А.Д. Модификация свойств аустенитных стареющих сплавов с помощью электронного облучения// Металлофизика и новейшие технологии, том 25, № 9, 2003. - С. 1165-113. Погребняк А.Д., Василюк В.В., Рузимов Ш.М., Алонцева Д.Л., Тюрин Ю.Н., Кравченко Ю.А. Структура и свойства покрытий из никелевого сплава после плавления электронным пучком // Письма в журнал технической физики, том 30, вып.4, 2004. - С. 78-4. Погребняк А.Д., Кравченко Ю.А., Алонцева Д.Л., Понарядов В.В., Рузимов Ш.М., Тюрин Ю.Н.Структура и свойства покрытий из Al-Ni, нанесенных импульсной плазменной струей на подложку из стали//Физика и химия обработки материалов (ФХОМ), № 2, 2004. - С. 45-5. Погребняк А.Д., Кравченко Ю.А., Кульментьева О.П., Алонцева Д.Л., Рузимов Ш.М., Тюрин Ю.Н., Бондарев А.А. Дуплексная обработка никелевого сплава, нанесенного на подложку из стали 3//Трение и износ, том 25, №1, 2004. - С. 71-6. Погребняк А.Д., Михалев А.Д., Алонцева Д.Л., Понарядов В.В., Кравченко Ю.А., Рузимов Ш.М. Структура и свойства Al-Co покрытия, нанесенного высокоскоростной импульсной плазменной струей.//ФХОМ, № 6, 2005. - С.
28-7. Погребняк А.Д., Кравченко Ю.А., Алонцева Д.Л., Рузимов Ш.М., Понарядов В.В. Структура и свойства порошковых покрытий, нанесенных высокоскоростной плазменной струей// Трение и износ, том 26, №5, 2005. - С. 507-58. Погребняк А.Д., Рузимов Ш.М., Алонцева Д.Л., Кульментьева О.П., Русаков В.С., Дядюра К.А, Понарядов В.В. Характеристики и свойства защитных покрытий на основе Ni-Cr и Co-Ni после обработки концентрированными потоками энергии//Физическая инженерия поверхности, том 3, № 3-4, 2005. - С.158-19.Погребняк А.Д., Василюк В.В., Кравченко Ю.А., Кислицин С.Н., Рузимов Ш.М., Алонцева Д.Л., Понарядов В.В Изменения физико-химических и механических свойств порошковых покрытий на основе Ni до и после воздействия концентрированными потоками энергии//Металлофизика и новейшие технологии, том 28, №1, 2006. - С. 83-110. Скаков М.К., Погребняк А.Д., Алонцева Д.Л., Ерболатулы Д., Бектасова Г.С.
Влияние структурно-фазового состояния аустенитного дисперсионнотвердеющего Co-Ni-Nb сплава на показатели и механизмы их сверхпластичности//Металлофизика и новейшие технологии, том 28, №3, 2006.
- С. 331-311. Погребняк А.Д., Кылышканов М.К., Понарядов В.В., Алонцева Д.Л., Шипиленко А.П. Структура и свойства алюминиевых сплавов после обработки концентрированными потоками энергии //Физическая инженерия поверхности, том 5, № 1-2, 2007. - С. 34 - 12. Алонцева Д.Л., Братушка С.Н., Погребняк А.Д., Прохоренкова Н.В., Шабля В.Т. Структура и свойства покрытий и модифицированных слоёв, полученных с помощью плазменных потоков // Физическая инженерия поверхности, том 5, № 3-4, 2007. - С.124-113. Pogrebnjak A.D., Ruzimov Sh.M., Alontseva D.L., Zukovski P., Karvat S., Kozak C., Kolasik M. Structure and properties of coatings on Ni base deposited using a plasma jet before and after electron a beam irradiation// Vacuum, 2007, Vol. 81, P.
1243-1214. Погребняк А.Д., Алонцева Д.Л., Братушка С.Н., Ердыбаева Н.К., Русаков В.С., Понарядов В.В., Кислицин С.В.Свойства защитных Ni-Cr покрытий после дуплексной обработки //ФХОМ, № 6, 2007. - С.37-15. Алонцева Д.Л. Модификация дуплексной обработкой структурно-фазового состояния и свойств покрытий на основе Co-Cr и Ni-Cr, нанесенных плазменно-детонационным методом //Известия ВУЗов. Физика, том 51, № 11/2, 2008. - С.44-16. Погребняк А.Д., Братушка С.Н., Углов В.В., Дуб С.Н., Колисниченко О.В., Алонцева Д.Л., Тюрин Ю.Н., Шипиленко А.Н. Структура и свойства покрытия из Ni-Cr-B-Si-Fe/WC-Co, нанесенного на подложку из стали и меди // Физическая инженерия поверхности, том 6, № 1-2, 2008. - С. 92 - 17. Алонцева Д.Л. Особенности самоорганизации дислокационной структуры в аустенитных сплавах на основе Ni-Cr и Fe-Ni-Cr после высокоэнергетического воздействия //Известия РАН. Серия физическая, том 73, № 11, 2009. - С.1645-1618. Алонцева Д.Л. Структура и свойства покрытий на основе Ni-Cr после дуплексной обработки//Известия ВУЗов. Физика, том 52, № 8/2, 2009. - С.376-319. Алонцева Д. Опыт применения плазменной технологии нанесения покрытий на основе Ni-Cr на стальную подложку и модификации их свойств дуплексной обработкой // Przegld Elektrotechniczny (Electrical Review), R.86 NR 7, 2010. - P. 42-20. Алонцева Д.Л. Модификация механических свойств и микроструктуры сплава на основе Ni-Cr непрерывным электронным облучением// Известия ВУЗов. Физика, том 54, № 1/2, 2011. - С. 20-21. Алонцева Д.Л., Прохоренкова Н.В. Формирование наноструктур в Ni-Cr покрытиях, нанесенных плазменной детонацией на стальную подложку// Известия ВУЗов. Физика, том 54, № 1/2, 2011. - С. 27 - 22. Алонцева Д.Л., Братушка С.Н., Борисенко А.А., Дробышевская А.А., Кулик И.А., Прохоренкова Н. В., Пшик А.В., Рогоз В.Н. Формирование микро- и наноструктурных фаз в покрытиях на основе Ni-Cr и Co-Cr, их структура и свойства// Металлофизика и новейшие технологии, том 33, № 6.- 2011.- С 7 - 723. Погребняк, А.Д., Кылышканов М.К., Алонцева Д.Л. Структура и свойства поверхностей материалов и композитных покрытий до и после воздействия концентрированными потоками энергии. - Монография. Усть-Каменогорск:
ВКГТУ, 2008. - 296 с.
24. Алонцева Д.Л., Ерболатулы Д., Радашин М.В., Скаков М.К., Ахметжанов Б.К. Способ повышения технологической пластичности железо-никелевых сплавов// АС № 48046 Республики Казахстан на изобретение 17104 от 07.06.20 Статьи в журналах:
25. Ерболатулы Д., Скаков М.К., Алонцева Д.Л., Гребнева В.С. Особенности формирования ультрадисперсных структур и сверхпластичность сплава на NiCr основе// Вестник НЯ - РК Ядерная физика и радиационное материаловедение № 4, 2002. - С. 66-26. Алонцева Д.Л. Термодинамика подавления прерывистой реакции в сильнодеформированном сплаве 36НХТЮ// Фундаментальные проблемы современного материаловедения №1, 2004. - С. 100-127. Алонцева Д.Л., Ахметжанов Б.К., Скаков М.К., Туякбаев Б.Т. Исследование влияния высокоэнергетического воздействия на структуру и свойства дисперсионно-твердеющего сплава// Фундаментальные проблемы современного материаловедения, №1, 2004. - С. 104-128. Ерболатулы Д., Алонцева Д.Л., Скаков М.К. Исследование сверхпластичности кобальт-никелевого сплава// Вестник КазНУ. Серия физическая, №1(16), 2004. - C.71-29. Ерболатулы Д., Алонцева Д.Л., Скаков М.К.Влияние структурных превращений на сверхпластические и прочностные свойства аустенитных никель-хромовых и кобальт-никелевых сплавов// Вестник КарГУ, серия Физика, № 2 (34), 2004.- С. 18-30. Алонцева Д.Л. Экспериментальное исследование процессов упорядочения в стареющем сильнодеформированном сплаве 40ХНЮ // Вестник КазНУ. Серия физическая, №2(22), 2004. - C.76-31. Погребняк А.Д., Алонцева Д.Л., Кравченко Ю.А., Кульментьева О.П., Рузимов Ш.М., Понарядов В.В. Структура и свойства порошковых покрытий из АН - 35, нанесенных высокоскоростной плазменной струей, до и после оплавления // Компрессорное и энергетическое машиностроение, № 2 (2), 2005.
- С. 82 - 32. Ерболатулы Д., Скаков М.К, Алонцева Д.Л., Погребняк А.Д., Ерболатова Г.У. Выделение и растворение частиц вторичной фазы с ГПУ решеткой в системе Co-Ni-Nb //Вестник СумГУ, № 8(80), 2005. - С. 87 - 33. Погребняк А.Д., Алонцева Д.Л., Тюрин Ю.Н., Кульментьева О.П., Курода С., Рузимов Ш.М., Кшнякин В.С., Кравченко Ю.А. Некоторые особенности структуры и свойства покрытий на основе Ni (ПГ-19Н-01) после дуплексной обработки //Вестник СумГУ, № 8(80), 2005. - С. 98-134. Ерболатулы Д., Скаков М.К., Гребнева В.С., Алонцева Д.Л., Тусупжанов А.Е.
Эволюция структуры и механизмы сверхпластической деформации сплавов на Ni-Cr и Co-Cr основах// Вестник КазНУ. Серия физическая, №1(19), 2005. - C.77-35. Погребняк А.Д., Кылышканов М.К., Алонцева Д.Л., Понарядов В.В., Шипиленко А.П.Структура и свойства алюминиевых сплавов Al-Ni, Al-Co, AlMg-Cu до и после обработки концентрированными потоками энергии //Вестник СумГУ № 2, 2007. - С. 5 - 36. Квеглис Л.И., Алонцева Д.Л., Прохоренкова Н.В., Зубрилов Ю.Г., Юферов Б.В., Садибеков А.Б. Эволюция структуры поверхности металла при механической обработке стальными шариками// Фундаментальные проблемы современного материаловедения, №1, 2008. - С. 53-37. Алонцева Д.Л. Морфология двух типов распада в стареющем сильнодеформированном сплаве 36НХТЮ// Вестник КазНУ. Серия физическая, №1(16), 2009. - C.110-138. Алонцева Д.Л., Прохоренкова Н.В. Структурно фазовые превращения в покрытиях на основе Ni-Cr, нанесенных плазменно-детонационным методом на подложку из стали 3, при их модификации электронным облучением // Вестник КазНУ. Серия физическая, №3(30), 2009. - C.86-39. Alontseva D.L. The nanostructures in the Ni ЦCr and Co-Cr -based coatings deposited by plasma detonation and the modification of coatingsТ mechanical properties by duplex treatment //Journal "Scientific Israel - Technological Advantages", vol.12, 2010, P. 30-40. Алонцева Д.Л., Погребняк А.Д., Прохоренкова Н.В., Каверин М.В.
Формирование наноструктуры в никель-хромовых покрытиях после дуплексной обработки//J. Nano- Electron. Phys., том 2, №3, 2010. - С.12-41. Русакова А.В., Алонцева Д.Л., Прохоренкова Н.В. Эволюция структуры и свойств нержавеющих сталей, облученных различными видами частиц // Вестник КарГУ. Серия Физика, № 1(61), 2011. - С.36-42. Алонцева Д.Л., Берсенев В.М., Дробышевская А.А. Cтруктура и свойства плазменно-детонационных покрытий на основе Ni-Cr // Всник Харквського унверситету. Физика, № 946, 2011. - C.49-Статьи и тезисы в сборниках научных трудов:
43. Pogrebnjak A.D., Ruzimov Sh.M., Kravchenko Yu.A., Tyurin Yu.N., Bondarev A.A., Alontseva D. L., KulТmentТeva O.P Mixing and diffusion processes occurring in coatings of nickel alloy deposited using pulsed plasma jet with subsequent melting by electron beam // AEPSE-2003, Jeju City, Korea, 2003. - P.344. Ерболатулы Д., Скаков М.К, Алонцева Д.Л., Гребнева В.С.Влияние особенностей выделения фаз на свойства дисперсионно-твердеющего сплава 40ХНЮ //Сборник трудов VI Всероссийской научно-практической конференции Современные технологии в машиностроении - 2003, Пенза, 2003. - С. 26-45. Alontseva D. L., Erbolatuly D., Skakov M.K. Forming fine-grained superplastic structures of two types of precipitation in austenite alloys on Ni-Cr and Co-Ni basis //Тезисы 8-ой Международной конференции Физика твердого тела, Алматы, Казахстан, 2004. - С. 135-146. Pogrebnjak, A.D.. Kravchenko Yu.A,Vasilyuk V.V., Tyurin Yu.N., Alontseva D.L., Ruzimov Sh.M,Ponaryadov V.V. Structure and properties of hybrid coatings //7th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows: Proceeding. Tomsk, 2004. - P.417-422.
47. Pogrebnjak A. D., Kravchenko Yu., Duvanov S.M., Alontseva D. L., Ruzimov Sh. M, Ponaryadov V.V., Structure and properties of coatings on Ni base deposited using plasma jet before and after electron beam irradiation. // ION 2004, Kazimierz Dolny, Poland, 2004 - P. 248. Погребняк А.Д., Алонцева Д.Л., Прохоренкова Н.В. Воздействие дуплексной обработки на структуру и свойства поверхности стали 3 // Тезисы 5-ой Международной конференции Ядерная и радиационная физика, 2005 г., Алматы, С. 49. Алонцева Д.Л, Бектасова Г.С., Прохоренкова Н.В. Численное моделирование температурных профилей и их градиентов в двухслойных поглотителях при высокоэнергетическом воздействии // Материалы II-ой Международной научно-практической конференции Состояние, проблемы и перспективы информатизации в Республике Казахстан, 2005, Усть-Каменогорск. Часть II- C.136-150. Прохоренкова Н.В., Алонцева Д.Л., Погребняк А.Д Структура и свойства покрытий на основе Ni, нанесенных плазменной струей и подвергнутых электронному облучению // Сборник трудов Международной школыконференции молодых ученых Физика и химия наноматериалов- Томск, 2005, С. 195-151. Погребняк А.Д., Кравченко Ю.А., Рузимов Ш.М., Понарядов В.В., Алонцева Д.Л. Физико-механические изменения в покрытиях на основе АН-35 до и после обработки плазменной струей. Материалы 6-й Международной конференции Взаимодействие излучений с твердым телом, Минск, Белоруссия, 2005. - С.306-352. Pogrebnjak A.D., Kravchenko Yu.A., Vasilyuk V.V., Kuroda Seiji, Alontseva D.
L., Ruzimov Sh. M. Duplex treatment of Ni base deposited using plasma jet //Abstract AEPSE 2005 Qingdao City, China, 2005.- P.53. Алонцева Д.Л. Экспериментальное исследование процессов упорядочения в дисперсионно-твердеющем сплаве 40ХНЮ// Труды ОМА 9. Ч.1, Ростов-наДону, п. Лоо, изд-во РГПУ, 2006. - С.16-19.
54. Алонцева Д.Л. Особенности структурно-фазового состояния защитных покрытий на основе Ni-Cr и Co-Cr, нанесенных импульсными плазменными струями// Сборник трудов Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование. Том 12. Под. ред. А.П. Кудинова, Г.Г. Матвиенко, Санкт-Петербург, 2008. - С. 146-155. Алонцева Д.Л. Получение наноструктур и нанокомпозитов комбинированными методами поверхностной обработки металлов //Сборник трудов Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование. Том 12. Под. ред. А.П. Кудинова, Г.Г. Матвиенко, СанктПетербург, 2008. - С. 147-156. Алонцева Д.Л. Структурно-фазовое состояние и свойства никелевых покрытий, полученных комбинированными методами// Материалы 10-ой Международной конференции Физика твердого тела - ФТТ-10, Караганда, 2008. - С.210-257. Alontseva D. L. Studies of structure and properties of coatings on Co-Cr and NiCr base after duplex treatment // ION 2008, Kazimierz Dolny, Poland, 2008. - P.58. Алонцева Д.Л., Кабланбеков Б.М., Мисевра С.Я. Исследование структурнофазового состава порошковых покрытий, нанесенных плазменнодетонационным методом //Труды ОМА 12, том 1, Ростов-на-Дону, п. Лоо, 2009. - С.26-59. Алонцева Д.Л. Опыт применения плазменной технологии нанесения покрытий на основе Ni-Cr на стальную подложку и модификации их свойств электронным облучением// Сборник материалов III Международной конференции Деформация и разрушение материалов и наноматериалов DFMN-09, ИМЕТ РАН, Москва, 2009. - С. 458-460. Алонцева Д.Л. Модификация структурно-фазового состояния и свойств материалов методами импульсной плазменной обработки // Материалы VII Международной российско-японско-казахстанской конференции Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов", Волгоград, 2009. - С. 822-861. Алонцева Д.Л. Использование плазменной технологии нанесения двух типов покрытий на основе Ni-Cr на стальные подложки и модификация их свойств дуплексной обработкой// Материалы VII Международной российско-японскоказахстанской конференции Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов", Волгоград, 2009. - С. 705-762. Алонцева Д.Л., Прохоренкова Н.В., Рахметуллина С.Ж. Моделирование температурного профиля в материалах в процессе их модификации комбинированными методами // Труды VII Международной Российско- Казахстанско- Японской научной конференции Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов, Волгоград, 2009. - С.494-563. Alontseva D. L. The study of using plasma technologies for the deposition of NiCr based coatings on steel substrate and modification of their properties by duplex treatment // NEET -2009, Zakopane, Poland, 2009. - Р. 64. Alontseva D. The structural phase changes in Ni-based coatings deposited by plasma detonation and the results of coatings modification by duplex treatment //Abstract of 3 rd International Conference УRadiation Interaction with Material and Its Use in Technologies 2010Ф, Kaunas, Lithuania, 2010. - P. 52-65. Алонцева Д.Л., Прохоренкова Н.В., Русакова А.В., Иванов С.А.
Упорядочение по типу CrNi3 в покрытии на основе Ni, нанесенном методом плазменной детонации на стальную подложку// Труды ОМА 13, том 1, Ростов-на-Дону, п. Лоо, 2010. - С.18-66. Алонцева Д.Л., Русакова А.В. Зависимость механических свойств и микроструктуры стали Г13Л от малых допустимых отклонений в ее химическом составе // Сборник трудов XI Международной конференции Физика твердого тела (ФТТ-XI), Усть-Каменогорск, 2010. - С. 64-67. Алонцева Д.Л., Ганеев Г.З., Денисова Н.Ф., Кабидолдина Ж.К., Павлов А.М., Прохоренкова Н.В., Рахметуллина С.Ж. Математическое моделирование температурного профиля в металлических материалах при облучении электронными и плазменными пучками// Сборник трудов VI Международной азиатской школы-семинара Проблемы оптимизации сложных систем, Новосибирск, Ин-т вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 2010. - С. 16-27.
68. Alontseva D.L., Ganeev G.Z., Pavlov A.M., Rakhmetullina S.J.: Computer simulation of temperature distribution in depth from the surface of metals under ebeam and plasma jet irradiation // NEET, Zakopane, Poland, 2011. - P.69. IlТyashenko M.V., Rogoz V.M., Pshyk A.V., Alontseva D.L., Prohorenkova N. V.
Formation of micro- and nanostructured phases in the coatings based on Ni-Cr and Co-Cr, their structure and properties// NEET, Zakopane, Poland, 2011. - P.170. IlТyashenko M.V., Pshyk A.V., Rogoz V.N., Alontseva D.L., Prohorenkova N.V.
Tribological and physical-mechanical properties of protective coatings from Ni-CrB-Si-Fe/WC-Co-Cr before and after fission with a plasma jet // NEET, Zakopane, Poland, 2011. - P.171. Алонцева Д.Л., Мисевра С.Я., Прохоренкова Н.В., Русакова А.В.
Наноструктурированные покрытия на основе Ni-Cr И Co-Cr, полученные методом плазменной детонации и их свойства // Труды VIII Международной Международной Российско - Казахстанско-Японской научной конференции Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов, Алматы, 2011. - С.97-172. Алонцева Д.Л., Погребняк А.Д., Прохоренкова Н.В., Рогоз В.Н., Ермолаев В.Н., Пшик А.В., Русакова А.В. Формирование микро- и наноструктурных фаз в покрытиях на основе Ni - Cr, их структура и свойства// Труды 10-й международной конференции Плёнки и покрытия - 2011, Санкт - Петербург, 2011. - С 294-273. Алонцева Д.Л. Создание твердых, износо- и коррозионностойких наноструктурных покрытий методом плазменной детонации порошковых сплавов на основе Ni - Cr и Со ЦCr// Сборник материалов IV Международной конференции Деформация и разрушение материалов и наноматериалов DFMN-2011, ИМЕТ РАН, Москва, 2011. - С. 446 - 447.
74. Alontseva D.L., Pogrebnjak A. D., Prohorenkova N.V., Russakova A.V. Forming the Strengthening Nanoparticles in the Co-Cr Based Coatings Deposited by Plasma Detonation on a Steel Substrate //1-st International Conference Nanomaterials:
Applications & Properties NAP-2011. Proceedings, Vol.1, Part I, Alushta. - P.5375. Alontseva D.L., Pogrebnjak A. D., Kulik I.A., Rogoz V.N., Kolisnichenko O.V., Kirik G.V., Tyurin Yu.N. Phase composition and physical properties of Co-Cr base coating//1-st International Conference Nanomaterials: Applications & Properties NAP-2011. Proceedings, Vol.1, Part I, Alushta. - P.231-276. Алонцева Д.Л. Структурно-фазовые превращения в покрытиях на основе NiCr и Co-Cr, полученных методом плазменной детонации, под воздействием электронного и плазменного облучения// Тезисы 8-й Международной конференции "Ядерная и радиационная физика", НЯ - ИЯФ, Алматы, Казахстан, 2011. - С.1СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Кадыржанов К.К., Комаров Ф.Ф., Погребняк А.Д., Русаков В.С., Туркебаев Т.Э. Ионно-лучевая и ионно-плазменная модификация материалов. - М.:
МГУ, 2005. - 640 с.
2. Курзина И.А., Козлов Э.В., Шаркеев Ю.П., Фортуна С.В., Конева Н.А., Божко И.А., Калашников М.П. Нанокристаллические интерметаллидные и нитридные структуры, формирующиеся при ионно-лучевом воздействии// отв.
ред. Н.Н. Коваль. - Т.: НТЛ, 2008. - 324 с.
3. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. М.:
Металлургия, 1986. - 224 с.
4. Новиков И.И., Портной В.К. Свехпластичность сплавов с ультрамелким зерном.- М.: Металлургия, 1981.- 479 с.
5. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками // под ред. Д.М. Поута, Г.Фоти, Д.К. Джекобсона. - М.: Машиностроение, 1987. - 424 с.
6. Погребняк А.Д., Береснев В.М., Азаренков Н.А. Структура и свойства защитных покрытий и модифицированных материалов. - Х.: ХНУ, 2007. - 560 с.
7. Суховаров В.Ф. Прерывистое выделение фаз в сплавах. - Н.: Наука, 1983. -1с.
8. Тихонов Л.В., Кононенко В.А, Прокопенко Г.И., Рафаловский В.А. Структура и свойства металлов и сплавов. Механические свойства металлов и сплавов.
Справочник, К.: Наукова Думка, 1986. - 568 с.
9. Oliver W.C., Pharr G.M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments//J.
Matter. Res. 1992, V.7, n.6, Р.1564-1583.
10. Musil J. Hard and superhard nanocomposite coatings // Surface and Coatings Technology. - 2000. - V. 125. - P. 322Ц330.
11. Musil, J. Nanocomposite coatings with enhanced hardness // Proceeding of the Euro powder metallurgy pm 2005. Congress and Exhibition, Prague. 2005. - С. 476 - 488.
12. Седов А.И. Механика сплошной сред, том 1.- М.: Наука,1970-360 с.