Синтез функциональных многокомпонентных слоев в сплавах методом поверхностной плазменной металлургии : отчет о научно-исследовательской работе (заключительный) / БГУ ; научный руководитель В. В. Углов

Abstract

Объектами исследования являлись монокристаллы кремния, твердый сплав Т15К6, силумины, сталь У9, сталь Р18, сталь Ст3, титан ВТ1-0, вольфрам. Цель данной работы - создание физических принципов синтеза многокомпонентных поверхностных слоев требуемого функционального назначения в сплавах, определяющих основы новой энергосберегающей технологии существенного улучшения эксплуатационных характеристик материалов, при воздействии высокоэнергетическими компрессионными плазменными потоками (КПП). Были использованы следующие методы исследования: рентгеноструктурный анализ, растровая электронная микроскопия, рентгеноспектральный микроанализ, измерение микротвердости, определение коэффициента трения, профилометрия. В результате установлены основные закономерности изменения структурно-фазового состояния, элементного состава, микротвердости и трибологических характеристик многокомпонентных поверхностных слоев систем Ti-Nb-Si, Nb/Т15К6, Nb/Al-Si, Nb/Ti/Al-Si, Si/Zr/У9, Nb/У9, NbС/У9, Cr/У9, NbС/P18, Mo-Cr/Ст3, вольфрама и титана от режимов воздействия компрессионными плазменными потоками (КПП); исследована термическая стабильность структуры и свойств систем Nb/Т15К6, NbC/ Р18, Si/Zr/У9 и титана, коррозионные свойства системы Cr/У9, защита от режимов воздействия КПП; впервые показано, что обработка КПП, в том числе легирование, поверхности ряда металлов и сплавов позволяет улучшить как трибологические характеристики поверхностного слоя так и его стойкость к атмосферной коррозии, что содействует увеличению диапазона рабочих температур инструмента и конструкционных узлов, изготавливаемых из этих материалов. Так, воздействие КПП на систему Si/Zr/У9 приводит к формированию легированного поверхностного слоя стали толщиной ~ 10 мкм, содержащего интерметаллид Fe2Zr, карбонитрид и оксид циркония, с увеличенной в 2 раза твердостью. КПП обработка системы NbC/P18 с плотностью энергии 18 Дж/см2 и последующий отжиг в течение 9 часов обеспечивают твердость ~ 11 ГПа, что в 1,3 раза больше микротвердости исходного образца, Это связано с формированием дисперсных карбидов Fe3W3C и NbC в легированном слое. При КПП обработке системы Cr/У9 происходит увеличение твердости стали в 2,6 раза вследствие диспергирования ее структуры в результате скоростной закалки из расплава; это также позволяет повысить стойкость стали к атмосферной коррозии (отжиг на воздухе при температуре 500 °С). Воздействие КПП на систему Mo-Cr/Ст3 приводит к формированию поверхностного слоя стали, одновременно легированного атомами хрома и молибдена, в котором образуется твердый раствор на основе метастабильной фазы γ-Fe, содержащей легирующие элементы. Это приводит к увеличению твердости поверхностного слоя стали до 7 ГПа и стадии приработки при трибологических испытаниях. Одновременное легирование атомами ниобия и титана эвтектического силумина под действием КПП позволяет формировать интерметаллиды (Al,Si)3Nb и (Al,Si)3Ti, тем самым увеличивая твердость до 2,5 ГПа и уменьшая коэффициент трения до 0,35. Таким образом, совокупность полученных результатов является научной основой для разработки новых конкурентоспособных энергосберегающих плазменных технологий, обеспечивающих существенное улучшение эксплуатационных характеристик различных деталей и узлов, придающих им новые свойства.