Электронно-лучевое испарение сталей и сплавов

Особенности технологических процессов обработки деталей мощными электронными пучками рассмотрены в целом ряде работ [26]. Для электронно-лучевой обработки были использованы источники, генерирующие низкоэнергетические сильноточные электронные пучки (НСЭП) (Е-20-30 кэВ, плотность мощности q = 10⁶-10⁷ Вт/см², t ~ 10°-10¹ мкс, f ~ 10^–1-10° Гц). Исследовано влияние облучения на топографию поверхности и физико-химическое состояние поверхностного слоя образцов из жаропрочных никелевых сплавов ВЖЛ12У, ЖС6У, стали ЭП 866ш и титановых сплавов Тi6Аl4Y и ВТЗЗ. Облучение проводили по трем режимам: 1) q _пл < q < q _исп; 2) q = q _исп; 3) q > q _исп. По данным расчетов, режим 1 обеспечивал оплавление тонкого поверхностного слоя материалов (h = 1-3 мкм). Режим 3 сопровождался интенсивным испарением, а режим 2 являлся промежуточным.

Облучение НСЭП приводило к формированию на образцах волнистой поверхности с низкой шероховатостью. Причем с ростом q средняя высота волны V и шаг волнистости S увеличивались. Например, облучение образцов из сплава ЖС6У по режиму 1 обеспечивало формирование поверхности с V = 0,72-0,90 мкм и S = 100-200 мкм, а по режиму 3 – V = 1,20-1,65 мкм и S = 300-400 мкм. Особенностью топографии поверхности всех материалов после облучения являлось наличие кратеров. Их размер и количество зависели от режима электронной бомбардировки, марки облучаемого материала и его предварительной обработки. Наибольшее число кратеров было обнаружено на поверхности жаропрочных никелевых сплавов, подвергнутых вибрационному полированию (ВАП), отжигу и затем облучению по режиму I. Их максимальное число достигало приблизительно 35 мм^-2 при среднем диаметре около 100 мкм. С ростом qразмеры кратеров увеличивались, а их количество снижалось. На образцах из стали и сплава ВТЗЗ кратеры имели меньший размер по сравнению с кратерами на образцах из никелевых сплавов. В то же время лишь редкие кратеры были обнаружены на поверхности покрытия NiСrАlY и сплава Тi₆Аl₄Y. В ряде случаев на поверхности образцов были обнаружены поверхностные трещины с глубиной h ~ 1 мкм. Наибольшее их число и наивысшая протяженность наблюдались на малопластичных жаропрочных никелевых сплавах после наиболее мощного облучения. В то же время на поверхности покрытия NiCrАlY, стали и титановых сплавов после облучения по режиму I трещин практически не было.

Был определен химический состав поверхностного слоя материалов. Толщина анализируемого слоя составляла для никелевых сплавов и стали приблизительно 1,5 мкм, для титановых сплавов – около 3 мкм. Показано, что при облучении в режиме оплавления (режим I) состав поверхностного слоя материалов практически не изменялся. С ростом плотности энергии наблюдалось небольшое снижение концентрации Сr (9,6±0,2 % до 7,8±0,1 %) и А1 (с 5,3±0,2 % до 3,8±0,2 %), а также рост содержания вольфрама (с 9,9±0,5 % до 12,1±0,7 %) в сплаве ЖС6У. Облучение стали по режиму 2 вызывало снижение содержания Сr (с 15,1±0,2 % и 14,5±0,2 %) при одновременном повышении концентрации вольфрама и молибдена (приблизительно в 2 раза). Показано, что толщина слоя с и измененным составом менее 5 мкм.

По данным рентгеноструктурного и металлографического исследований жаропрочные никелевые сплавы в исходном состоянии содержали фазы g, g¢ и карбиды. После облучения сплавов на их дифрактограммах были обнаружены лишь линии g¢-фазы. Причем пики g¢-фазы были смещены в сторону больших углов, что можно объяснить формированием растягивающих макронапряжений.

Исследованные титановые сплавы относятся к (a+b) сплавам и после финишной термообработки отличаются количеством b-фазы. Как следовало из данных рентгеноструктурного исследования, в результате облучения наблюдалось исчезновение b-фазы из поверхностного слоя образцов. Кроме того, дифракционные линии сильно уширялись. Указанные структурные превращения в титановых сплавах можно объяснить их закалкой из b-области с высокой скоростью. По оценке скорость охлаждения поверхностного слоя составляла для исследованных материалов ~10⁷÷10⁹ °К/с. Таким образом, из результатов структурного анализа следует, что при обработке превращения в исследованных сплавах обусловлены их закалкой от высоких температур.

Отмечено, что облучение с q > q _исп позволяет удалить жаростойкие покрытия (МеСrАlY, NiСrАlY/NiАlY, NiАl, NiСr+Сr₂С₃) с жаропрочных сплавов. Показано, что при каждом импульсе облучения происходит частичное испарение покрытия и оплавление его поверхностного слоя. В покрытии NiСrА1Y толщина переплавленного слоя достигает 30 мкм, причем слой представляет собой пересыщенный твердый раствор на основе Ni с сильной текстурой типа. Под этим слоем обнаружены несплошности. Длительность процесса удаления покрытий определяется, прежде всего, их толщиной. Например, для покрытия NiСrАlY толщиной 60-70 мкм при облучении неподвижного плоского образца t = 2-3 мин.

Физические свойства чистых металлов и полупроводников представлены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Физические свойства чистых металлов и полупроводников(Т = 300 К)

Мате-риал	r, 10^3 кг/м^3	с, Дж/кг·К	a, 10^–6 м^2/с	lТ, Вт/м·К	σ, 10^8 (ом·м)^–1	Т Пл, К	DHПд, кДж/кг	Т КИП, К	DHКИП, МДж/кг
Ag	10,49	235,4			0,614				2,47
Al	2,7	903,7	93,8		0,38				10,8
B	2,4		11,25		0,00055
V	6,11		10,4	30,5	0,049				8,7
W	19,26	132,4		162,8	0,184				4,0
Ge	5,35				0,0011				4,7
Fe	7,87		22,7	79,9	0,098				6,27
Co	8,83	421,3	25,5	94,9	0,167				6,4
Si	2,33		5,0		0,001				12,7
Cu	8,93				0,58				4,75
Mo	10,21	249,8		139,8	0,181				5,8
Ni	8,9	443,6	22,9	90,4	0,136				6,3
Nb	8,57		23,7	53,5	0,068				7,11
Pt	21,47	132,6	25,2	71,74	0,093				2,6
Ta	16,66	139,8	23,5	55,2	0,074				4,1
Ti	4,5	530,8	9,3	22,3	0,021				8,6
Cr	7,18	453,9		94,5	0,083				6,7
Zr	6,47	278,8	12,7	16,9	0,023				6,1

ГЛАВА 5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА
ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ

Дата добавления: 2017-02-01