автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Формирование поверхностных слоев из материалов с эффектом памяти формы в условиях плазменного напыления

На правах рукописи

004603226 Русинов Петр Олегович

ФОРМИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ИЗ МАТЕРИАЛОВ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ В УСЛОВИЯХ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ

Специальность 05.16.09 Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- з ИЮН 2010

РостОв-на-Дону 2010

004603226

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный технологический университет» (КубГТУ) на кафедре «Динамика и прочность машин»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Защита состоится «8» июня 2010 г. в 15:00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.058.01 при ГОУ ВПО «Донской государственный технический университет» по адресу: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «ДГТУ».

БЛЕДНОВА Жесфина Михайловна

ДОРОФЕЕВ Владимир Юрьевич

(ЮРГТУ, г. Новочеркасск)

кандидат технических наук, доцент БРОВЕР Андрей Владимирович (ДГТУ, г. Ростов-на-Дону)

Ведущая организация: ОАО НПО «ЦНИИТМаш», г. Москва

Автореферат разослан «29» апреля 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

Г.В. Чумаченко

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Стратегическим направлением современного материаловедения является создание перспективных материалов и технологий специального назначения, к числу которых относятся сплавы с эффектом памяти формы (ЭПФ). Уникальное сочетание функциональных свойств памяти с высокими механическими характеристиками нашли широкое практическое применение при создании изделий, стабильно работающих в условиях длительного механоциклирования, коррозионных сред, ударных воздействий и интенсивного изнашивания, с возможностью обратимого формоизменения. В машиностроении использование таких материалов в качестве конструкционных является экономически нецелесообразным. Значительное снижение стоимости при одновременном обеспечении функционально-механических свойств может быть достигнуто за счет формирования поверхностных наноструктурированных слоев из сплавов с ЭПФ.

В проблеме получения наноструктурированных покрытий из сплавов с ЭПФ есть свои существенные сложности как структурные, технологические, так и связанные с изменением функционального и механического поведения деталей с покрытиями. Одним из перспективных методов обработки поверхности как с точки зрения формирования требуемой структуры и свойств, так и специальных возможностей является плазменное напыление. Поэтому интерес представляет исследование структурных и механических особенностей поверхностно модифицированных слоев из сплава с ЭПФ (ПМСЭПФ), полученных в условиях плазменного воздействия.

Связь работы с научно-техническими программами.

Работа выполнена по НИР: «Повышение долговечности деталей машин с помощью поверхностного модифицирования материалами с эффектом памяти формы» (6.5.2.01-05); "Повышение функционально-механических свойств сталей путем создания поверхностных слоев из материалов с эффектом памяти формы" в рамках программы РНП.2.1.2.4958 (20062008 гг.); РНП 2.1.2/6702 при поддержке Министерства образования и науки РФ (2009г).

Цель работы: повышение характеристик работоспособности покрытий из сплавов с ЭПФ на основе создания наноструктурного состояния материала с разработкой технологии их получения плазменным напылением механически активированных порошков.

Основные задачи исследования:

- обоснование выбора метода формирования поверхностных слоев из материалов с ЭПФ; разработка общих принципов техники поверхностного модифицирования с использованием плазменного напыления, обобщение опьгга по выбору и оптимизации ее конструктивных и энергетических параметров; определение управляющих параметров технологического процесса и их оптимизация для обеспечения функционально-механических свойств;

- изучение особенностей фазовых превращений и структурообра-зования при плазменном напылении механоактивированного порошка;

- экспериментальное исследование функциональных, механических и эксплуатационных свойств ПМСЭПФ на основе Т1№ и №А1;

- исследование корреляционной связи между формирующейся структурной организацией на различных этапах поверхностного модифицирования (ПМ) с прочностными свойствами;

- разработка конструктивно-технологических решений с использованием материалов, ПМСЭПФ в условиях плазменного напыления, обеспечивающих заданные функциональные и механические свойства изделий; экспериментальная проверка предложенных технических решений.

Объектом исследования являются стали ПМСЭПФ СП№ и №А1).

Предметом исследования являются особенности структурообразо-вания поверхностных слоев из сплавов с ЭПФ на основе ИМ и №А1 и их функционально-механические свойства.

Методология и методы проведенного исследования. Методы исследования, использованные в данной работе, базируются на основных положениях теории мартенситных превращений, механики разрушения, фрактального материаловедения, технологии машиностроения, математи-ко-статистического анализа.

Научная новизна диссертационной работы:

- показано, что предварительная механоактивация (МА) порошков позволяет снизить пористость покрытий до 5% и обеспечить прочность сцепления покрытия с основой (50-60МПа);

- описан механизм формирования наноструктурного состояния в порошках "П№ и №А1 при интенсивной пластической деформации в процессе механической активации, включающий стадии высокоскоростного деформирования, полигонизации и рекристаллизации; показано, что образовавшиеся при механоактивации наноструктурированные частицы порошка в процессе плазменного напыления и при соприкосновении с холодной подложкой испытывают высокие контактные давления, приводящие к деформированию частицы в соотношении 1:7,7; выделение энергии, запасенной в процессе механической активации в виде различного рода дефектов (дислокации, вакансии и др.) приводит к лучшему соединению напыляемых частиц между собой и с основой, т.е. обеспечивает хорошие адгезионные свойства и меньшую пористость, а имеющий место высокий градиент температур между подложкой и частицей порошка создает дополнительные условия для наноструктурирования;

- установлена корреляционная связь между технологическими параметрами и параметрами выхода (прочностью сцепления, когезией, пористостью); оптимизированы параметры механоактивации, плазменного напыления и последующей ТМО;

- проведены комплексные метаплофизические исследования ПМ слоев и получены новые сведения о наноструктурном состоянии поверхно-

стного слоя, о его механических свойствах, фазовом составе, определяющем функциональные свойства; (микротвердость TiNi-слоя колеблется в пределах Ни=8,2-И 1,8 ГПа, NiAI-слоя в пределах Нм=4,5+8,3 ГГТа, размер зерна TiNi составляет 15-140 нм, NiAl - 90-200 нм; эффект восстановления для сплава TiNi составил 5,8%, для сплава NiAl - 3,6%).

- оценена эволюция структуры на всех этапах ПМ методом муль-тифрактапьной параметризации и вскрыты взаимосвязи структурной организации ПМСЭПФ с прочностными свойствами; получены зависимости с использованием критерия микротвердости и толщины поверхностного слоя сплавов с ЭПФ; установлено, что максимальной адаптивностью к внешнему воздействию обладает до 90% поверхностно-модифицированного слоя;

- получены экспериментальные данные о влиянии поверхностных наноструктурированных слоев из материалов с ЭПФ на механические свойства при циклическом нагружении, на износостойкость, коррозионную стойкость и функциональные свойства памяти.

Практическая значимость полученных результатов:

- предложено новое конструктивно-технологическое решение установки для ПМ с использованием плазменного напыления и последующей ТО и ТМО в едином технологическом цикле (заявка на патент № 2009110620, приоритет от 23.03.09);

- определены оптимальные технологические режимы ПМ, включающего предварительную подготовку поверхности, механоактивацию порошков, плазменное напыление подслоя Ni (только при формировании слоя TiNi) и основного слоя TiNi, последующую термическую и термомеханическую обработку (ТМО) в едином технологическом цикле и позволяющие получать наноразмерные TiNi (15-140 нм) и NiAl (90-200 нм) покрытия из сплавов с ЭПФ на сталях 45, 40Х, 08Х14НДЛ;

- разработана сборно-разборная конструкция «вал-втулка» и запорная арматура с использованием свойств памяти формы TiNi и NiAl покрытий на деталях (патент № 2383806; решение о выдаче патента по заявке № 2008132286, опубл. 10.02.2010.); показана возможность и экономическая целесообразность использования ПМСЭПФ для обеспечения функциональных и механических свойств.

Разработанные технологии ПМСЭПФ апробированы на предприятии РФ «Новороссийское морское пароходство» (г. Новороссийск).

Апробация результатов днссертяцни. Результаты работы докладывались на: Международной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения-2007», Волгоград, ВГТУ, 2009; V Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» Екатеринбург 2008; Международной конференции «Харьковская нанотехнологическая ассамблея - 2008», Харьков, 2008; XXI Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов,

оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» С.-Петербург, 2009; Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, ИФПМ СО РАН, Томск, 2009; III Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и ианоматериалов» DFMN-2009, ИМЕТ им. A.A. Байкова, Москва, 2009; Всероссийской конференции "Безопасность и живучесть технических систем" Красноярск, 2009; 1-ой ежегодной конференции Нанотехнологического общества России «Развитие нанотехнологического проекта в России: состояние и перспективы» НИЯУ, «МИФИ», Москва, 2009.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 6 в изданиях, определенных перечнем ВАК. Получено 2 патента РФ № 2354751, № 2383806; решение о выдаче патента по заявке № 2008132286 опубл. 10.02.10; подана заявка на патент № 2009110620, приоритет от 23.03.09.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 207 страницах, состоит из введения, 5 глав, заключения, Диссертация содержит 111 рисунков, 25 таблиц, список литературы из 214 наименований, приложение (копии патентов на изобретения и актов внедрения).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен анализ источников информации, показавший, целесообразность использования материалов с ЭПФ, обладающих уникальным сочетанием функциональных свойств с высокими показателями механических характеристик, в качестве поверхностных слоев для изделий, работающих в условиях длительного циклического нагружения, коррозионных сред, ударных воздействий и интенсивного изнашивания с возможностью обратимого формоизменения. Обоснована актуальность использования ПМСЭПФ в машиностроении как ресурсосберегающей технологии.

Отмечен вклад российских (Алымов М.И., Волков А.Е., Кудинов В.В., Калита В.И., Курдюмов В.Г., Лихачев В.А., Лотков А.И., Махутов H.A., Разов А.И., Пушин В.Г., Панин В.Е., Прокошкин С.Д., Пузряков А.Ф., Хачин В.Н., Хусаинов М.А. и др.) и зарубежных ученых (Вейман С.М., Ли Д.И., Миязаки С., Ооцука О., Хорнбоген Э. и др.) в теоретические исследования материалов с ЭПФ и прикладные аспекты реализации технологий ПМ. Анализ данных приводит к убеждению, что существующие технологии имеют нереализованные резервы совершенствования управления структурой и свойствами, в частности, за счет наноструктурирования поверхностных слоев. В обзоре показано, что проблема не может быть решена чисто технологическим путем, а требует комплексных, в том числе металлофизических, исследований материаловедческой направленности в области формирования оптимальной структуры для обеспечения функциональных и механических свойств в заданных условиях эксплуатации. На основании вышеизложенного сформулированы цель и задачи исследования, намечен круг вопросов, которые не нашли отражение в научной литературе.

Во второй главе приведено обоснование выбора материалов для ПМ, технологии и метода формирования поверхностных слоев из материалов с ЭПФ. Показаны возможности получения покрытий методом аргонодуговой, лазерной наплавки и методом плазменного напыления. Выбор сделан в пользу метода плазменного напыления, как наиболее универсального и производительного, позволяющего получать наноструктурное состояние в поверхностном слое. Разработано техническое оснащение для поверхностного модифицирования, позволяющее осуществить полный цикл обработки на одной установке с использованием плазменного напыления и последующего регламентированного нагрева под термическую и термомеханическую обработку. На основании обобщения опыта и, исходя из поставленных задач, предложено конструктивно-технологическое решение по модернизации установки УПУ-ЗД, по выбору и оптимизации ее конструктивных и энергетических параметров (заявка на патент № 2009110620).

В качестве плазмообразующего газа использовалась смесь аргона и азота различного состава. Плазменное напыление осуществлялась при углах наклона плазматрона 90°, 46°. В качестве материала для поверхностного модифицирования использовали порошки никелида титана ПН55Т45 и никелида алюминия ПН80Ю20.

После плазменного напыления TiNi и NiAl покрытия подвергались механической обработки, ТО и ТМО с использованием поверхностного пластического деформирования (ППД). Термическая обработка (гомогенизирующий отжиг в инертной среде), производился в электрокамерной печи ЭКПС V-50. ППД цилиндрических образцов с покрытиями осуществлялось при помощи трехроликового приспособления закрепленного в токарном станке 1А616.

Испытания на многоцикловую механическую усталость ПМСЭПФ TiNi и NiAl проводились на установке МУИ-6000 в соответствии с ГОСТ 19533-74 и 25.502-79. Испытания на статическое растяжение и малоцикловую усталость проводились на модернизированной установке УМЭ-ЮТМ с компьютерным управлением согласно ГОСТ 1497-84, ГОСТ 25.502-79.

Металлографический анализ микроструктур осуществлялся на растровом электронном микроскопе сверхвысокого разрешения JSM-7500F, просвечивающем электронном микроскопе JEM - 2100, инструментальном микроскопе ИМЦ-100, оптическом микроскопе NU-2E (Cari Zeiss Jena). Рентге-нофазовый анализ проводили на приборе Shimadzu XRD - 7000, химический анализ материала осуществляли на энергодисперсионной приставке INCA x-sight модель 7585 (OXFORD instruments, England) электронного микроскопа сверхвысокого разрешения JSM-7500F и оптико-эмиссионным анализатором металлов и сплавов Arcmet 8000. Измерение микротвердости производилось на приборе ПМТ-3. Толщину покрытия и величину деформации ПМСЭПФ измеряли цифровым микрометром МКЦ 0-25, толщиномерами Surfix Easy FN, DMS 2E. Для получения кривой «нагрев-охлаждение» и определения характерных точек фазовых превращений термический анализ материалов с

ЭПФ TiNi и NiAl проводили с помощью прибора NETZSCH STA 409 PC при скоростях нагрева и охлаждения 10°С/мин.

Третья глава посвящена разработке технологии формирования поверхностных слоев из материалов с ЭПФ TiNi и NiAl на стали 45, 40Х, 08X14НДЛ, описанию взаимосвязи структуры и свойств TiNi и NiAl покрытий и способов управления структурой и функциональными и механическими свойствами покрытий.

Для повышения прочности сцепления покрытия с подложкой проводили предварительную дробеструйную обработку поверхности. При напылении порошка ПН55Т45 на стали предварительно наносили порошок чистого никеля ПНК1-ВЛ7, имеющего неограниченную растворимость с железом, что обеспечило хорошую адгезию (54-57 МПа).

Покрытия, полученные плазменным напылением обычного порошка, имеют ультрамикрокристаллическую структуру с размером зерна 120-500 нм (рисунок 1). По мере удаления от подложки размер зерна увеличивается из-за уменьшающегося градиента температур.

а1) 61

Рисунок 1 - Микроструктура покрытий Т!№, хбООО - а); №А1, х8000 - б) полученные плазменным напылением обычного порошка

Механоактивация. Порошки марок ПН55Т45 и ПН80Ю20 для плазменного напыления механически активировали в высокоскоростной планетарной шаровой мельнице (аттриторе), со стальной мешалкой и стальными шарами 0 6 мм в защитной атмосфере. Скорость вращения мешалки составляла 900 мин"1, отношение массы шаров к массе загрузки порошка составляло 20:1. В результате механоактивации частицы порошка приобретают форму плоских дисков с характерным соотношением размеров 1:7,7 (рисунок 2). Порошок ПН55Т45 после механоактивации представляет собой диски длиной 5-7 мкм, толщиной 0,9-1мкм (рисунок 2), а порошок ПН80Ю20 длиной от 5-10 мкм, толщиной 1-1,5 мкм. Также в результате МА происходит снятие окисных пленок с поверхности частиц порошка.

I

Рисунок 2 - Механоактивированные порошки 1ч, "ПМ, *500 - а); 1\|1А1, х5000-б)

В результате механоактивации в локальнь;х микрообъемах порошка возникают внутренние напряжения, релаксация которых зависит от свойств материала и условий нагружения. Согласно существующим теориям в меха-нохимии инициирование механохимических превращений обеспечивается теплом, выделяющемся при обработке порошков, энергией дислокаций при пластической деформации, высвобождением упругой энергии, аккумулированной в твердом теле, наличием многочисленных межфазных границ. Проведенный анализ структуры плазменного покрытия до и после механоактивации показал, что предварительная механическая активация приводит к существенному улучшению структуры покрытия, уменьшению пористости и увеличению адгезии. Это, вероятно, обусловлено тем, что механически обработанные порошки обладают запасенной энергией в виде различного типа дефектов, энергия которых выделяется при плазменном напылении, что приводит к лучшему проплавлению частиц, формированию практически монолитной структуры с меньшей пористостью и, как следствие, к улучшению механических характеристик покрытий.

В процессе МА частицы порошка подвергаются интенсивной пластической деформации, что приводит к повышению температуры и образованию многочисленных дефектов, которые и являются центрами образования нанозерен. После каждого соприкосновения с рабочим телом частица порошка резко охлаждается до температур, близких к комнатным (в качестве инертной среды использовался бензин «калоша», камера аттритора охлаждалась водой). При последующих соприкосновениях с рабочим телом происходит дальнейшее формирование нанозерен. Формирование нанозерен будет происходить до тех пор, пока либо вся частица не приобретет нанокристаллическую структуру, либо нанозерна не достигнут критического размера, при котором дальнейшее пластическое деформирование невозможно. Учитывая, что обрабатываемые сплавы с ЭПФ являются ин-

тенсивно упрочняющимися резкое их охлаждение в жидкой среде приводит к повышению хрупкости и дальнейшему измельчению.

Наши исследования показали, что порошки "П№, №А1 в результате МА имеют наноразмерную структуру с размером кристаллов 80-120 нм.

Электронограмма наноразмерного ро

Скорость охлаждения частиц порошка на подложке 10б- 10вК/с

Рисунок 3 - Схема формирования наноструктурного состояния в процессе плазменного напыления порошков из материалов с ЭПФ

На рисунке 3 представлена схема формирования наноструктурного состояния покрытий из материалов с ЭПФ в процессе плазменного напыления механоактивированного порошка. Поскольку плазменное покрытие формируется путем постепенного наложения отдельных частиц — сплэтов (рисунок 3), движущихся и твердеющих с высокой скоростью, то фазовый состав, структура и свойства плазменных покрытий зависят от температуры, скорости соударения частиц с подложкой и их охлаждения (Ю6-Ю8 К/с), которые, в свою очередь, определяются параметрами технологического процесса плазменного напыления, основными из которых являются: величина тока дуги, напряжение, расход и состав плазмообразующего газа, расход порошка и транспортирующего газа, дистанция и угол напыления, скорость перемещения и подача плазматрона, скорость вращения покрываемой детали и др.

В процессе кристаллизации расплавленной частицы, попадающей на холодную подложку, происходит сильная пластическая деформация и кристаллизация металла при больших степенях переохлаждения. В результате такой кристаллизации в расплаве образуются кристаллические зародыши на флуктуациях дальнего порядка. При больших степенях охлаждения образуются зародыши, критический размер которых гк определяется степенью переохлаждения г, = » где у - удельная (на единицу площади

поверхности) энергия поверхности раздела жидкость-твердая фаза, Agu -движущая сила (свободная энергия на единицу объема) направленная на изменение агрегатного состояния.

Расплав, в котором образуются зародыши кристаллов, аморфизируется. Наличие больших пластических деформаций при плазменном напылении интенсифицирует процесс аморфизации. Аморфная составляющая может претерпевать динамическую полигонизацию, поскольку имеет место горячая пластическая деформация. В результате динамической полигонизации аморфная структура претерпевает превращение в нанокристаллическую структуру, состоящую из мелких субзёрен. Повидимому, аморфная составляющая в этих сплавах невелика, так как аморфизация наблюдается с определенной легированностью (например, в сплавах легированных бором). Поэтому в сплавах Т1№ основной процесс формирования наноструктуры обусловлен кристаллизацией на флуктуациях ближнего порядка в расплаве.

Типы и морфология продуктов кристаллизации при плазменном напылении определяется химическим составом и термодинамическими характеристиками образующихся кристаллических фаз.

Полученное ТПЧ1 покрытие имеет наноразмерную структуру с размером зерна 15-140 нм (рисунок 4), микротвердость 11,2-11,8 ГПа. На рисунке 4, а показана наноразмерная структура В2 аустенита (размер зерна порядка 80-120 нм) с включениями интерметаллидной фазы Т12№ (размер зерна порядка 10-30 нм). На рисунке 4,б-г представлена в основном игольчато-пластинчатая структура моноклинной фазы В19' Т1№ с небольшими включениями частиц Т12№, №3Т1, Т'Ю. На рисунке 4,д показан

Рисунок 4 - Наноразмерное Т1№ покрытие, полученное плазменным напылением механически активированного порошка. ><120000 - а); ><80000 - б); х 150000-в, г)

твидовый электронно-микроскопический контраст (появляется, когда в кристалле возникла структурная неустойчивость, приводящая к перестроению атомов в другой тип решетки) сплава TiNi, на котором видны следы атомных плоскостей и частица TÍ2NÍ с размером порядка 30 нм. На рисунке 4,е приведена микроэлектронограмма сплава TiNi, в основном состоящего из нанокристаллических зерен, хаотично разориентированных, поэтому дифракция кольцевая.

Результаты рентгенофазового анализа показали, что при комнатной температуре исходное фазовое состояние слоя TiNi после плазменного напыления механоактивированного порошка представляет собой мартенситные фазы В19' с моноклинной решеткой, аустенитную В2-фазу с кубической решёткой, фазу Ti3Ni4 с ромбоэдрической решёткой, фаза Ni3Ti с гексагональной решеткой, фаза Ti2Ni с кубической решеткой, небольшое количество ТЮ с моноклинной решеткой и NÍTÍO3 с ромбоэдрической решеткой.

Полученное NiAl покрытие имеет также наноразмерную структуру с размером зерна 90-200нм (рисунок 5) и микротвердостью 8,3 ГПа.

При комнатной температуре основная структурная составляющая NiAl покрытия - аустенитная В2-фаза с кубической решеткой, мартенсит-ная фаза Ll0 с тетрагональной решеткой, фаза Ni^Alj с орторомбической решёткой.

Рисунок 5 - Микроструктура №А1 покрытия, полученного плазменным напылением механически активированного порошка. х20000

В результате отработки технологического процесса и статистической обработки результатов эксперимента установлены оптимальные режимы плазменного напыления материалов с ЭПФ TiNi, NiAl: плазмообразующий газ Аг = 80%, N2 = 20%; дистанция напыления 150 мм; напряжение 38 В; ток 305 А; мощность 11,6 кВт; расход плазмообразующего газа 0,483 л/с. Плазмообразующий газ Аг = 70%, N2 = 30%; дистанция напыления 150 мм; напряжение 47 В; ток 297 А; мощность 13,96 кВт; расход плазмообразующего газа 0,467 л/с.

На рисунке 6 представлена гистограмма распределения зерен и их процентное содержание в покрытии с ЭПФ TiNi и NiAl (обработка данных, в программе Statistica 6.0, полученных из программы ВидеоТесТ-Структура 4.0).

ш

.11 111 II

И111 1111

Ш

■ II

II I

К и

л

Е

Рисунок 6 - Количественное распределение размера зерен и их процентного содержания, Т1№ - а); №А1 - б)

Оценка эволюции структурных параметров материала на мезоуров-не выполнялась методом мультифрактальной параметризации, показавшей, что в области границы раздела начинается плавное снижение показателей порога устойчивости, степени упорядоченности (скрытой периодичности), размерности самоподобия О10о, Аюо, Оо (таблица 1).

Таблица 1 -Мультифрактальные характеристики структуры поверхностного слоя Т1№ после плазменного напыления на сталь 45

Область № зон Аюо 1^100 о„ о. о2 Оюо 8/ Ау

Слой №Т1 1 0.267 0.156 1.874 1.741 1.697 1.511 0.183 0.493

2 0.241 0.184 1.861 1.716 1.623 1.541 0.214 0.549

3 0.248 0.176 1,852 1.724 1.651 1.587 0.221 0.564

4 0.283 0.168 1.857 1.687 1.648 1.612 0.228 0.567

5 0.341 0.207 1,943 1.815 1.767 1.687 0.234 0.613

6 0.310 0.078 1,907 1.791 1.748 1.653 0.208 0,581

Пеоех. зона 7 0.249 0.091 1,841 1.742 1.683 1.551 0.187 0.474

Слой № 8 0.301 0.147 1.879 1.763 1.754 1.573 0.112 0,211

Пеоех. зона 9 0.223 0.074 1,831 1.695 1.693 1.503 -0.071 -0.071

Стальная пгипая 10 0.198 3.148 1,424 1.461 1.474 1.468 0.036 0.038

11 0.125 2.985 1.565 1.674 1.584 1.471 -0.098 -0.148

Анализ эволюции структуры поверхностно-модифицированных слоев методом мультифрактальной параметризации позволил установить взаимосвязь структурной организации с прочностными свойствами. Получены зависимости с использованием критерия микротвердости и толщины поверхностного слоя сплавов с ЭПФ. Проведенный анализ показал, что максимальной адаптивностью к внешнему воздействию (А1|,(т1Ы|)=0,725 А^^рО^в) обладает большая часть (до 90%) поверхностно-модифицированного слоя, а в переходной зоне имеет место деградация структуры.

Оптимизация структуры Т1№-покрытия после плазменного напыления производилась термической обработкой (ТО) и термомеханической обработкой (ТМО), включающей поверхностно-пластическое деформирование (ППД). ТО оказывает существенное влияние на структуру покрытия

(рисунок 7) и основы, что подтверждается изменением мультифракталь-ных характеристик. Оптимальная температура отжига составила 1073К. При этой температуре устраняются избыточные фазы, приводящие к ох-рупчиванию, снижению стойкости против коррозии, к нестабильности структуры и свойств сплава во времени. Отжиг способствует улучшению свойств эффекта памяти формы с одновременным снижением остаточных напряжений. В результате отжига происходит увеличение размера зерна до 300-400 нм, снижение микротвердости.

Рисунок 7 - Микроструктура покрытий после ТО. Т1№ отжиг при 1073К, 1 ч, х9000 - а); №А1 отжиг при 1073К, 1ч, *37000 -- б)

Рентгенофазовый анализ, поверхностных слоев сплава TiNi после отжига при температуре 1073К показывает, что покрытие имеет следующий фазовый состав: фаза В19' ~ 34,5-35%, фаза В2 ~ 45,5-46%, Ti3NÍ4~ 18-18,5%, TÍO + NiTi03 менее 1,5%.

Для обеспечения определенного уровня реактивных напряжений и обратимой деформации, определяющих формовосстановление поверхностных слоев из сплавов с ЭПФ, производилось ППД обкаткой (режимы обкатки Рк=5 кН, Vo6=90-10"3 м/с, Snp=0,7 мм/об, число проходов 5) и термоциклиро-вание (охлаждение до температур мартенситных превращений с последующим нагревом до температур обратного мартенситного превращения, 10 циклов) в условиях температур мартенситных превращений (TiNi: Mf=285,7K, MS=359,3K, AS=360,9K, A(=394,7K; Ni AI: Mf478K, MS=520K, AS=505K, Af=580K). На рисунке 8 представлена структура покрытий TiNi и NiAl, полученная после плазменного напыления, ТО (отжиг) и обкатки.

Исследования зависимости величины обратимой деформации е0 от наведенной Ен для ПМСЭПФ TiNi, NiAl после плазменного напыления и ТМО (рисунок 9) показали, что наибольшая величина обратимой деформации для сплава TiNi равна 5,3-5,8%, для сплава NiAl наибольшая соответственно равна 3,2-3,6%.

Рисунок 8 - Микроструктура покрытий после ТМО с обкаткой. Т1№- а), X12000; Ы1А1 - б), х 17000

а) б) г 3 4 5 6 7

Рисунок 9 - Графики зависимостей обратимой деформации е0 от наведенной деформации £н для ПМСЭПФ, Т1№ - а); №А1 - б)

Таким образом, на основании комплексных металлофизических исследований поверхностно-модифицированных слоев (электронная микроскопия, спектроскопия, рентгенофазовый, калориметрический, дюромет-рический анализ) показана возможность формирования наноразмерной композиции в пределах поверхностно-модифицированного слоя. Результаты исследования механических свойств, фазового состава и его эволюция на всех этапах поверхностного модифицирования, определяющего функциональные свойства, позволяют решать задачу целенаправленного формирования поверхностных слоев для различных условий эксплуатации.

В четвертой главе приведены результаты исследования эксплуатационных свойств ПМСЭПФ при многоцикловом и малоцикловом нагру-жении, исследования износостойкости и коррозионной стойкости.

Многоцикловая усталость. Для оценки характеристик сопротивления усталостному разрушению материалов ПМСЭПФ проводили испыта-

Рисунок 10 - Кривые выносливости: стали 45 - (а); стали 08X14НДЛ - (б)

ния образцов на воздухе и в морской воде, как в многоцикловой, так и в малоцикловой области нагружения

Результаты многоцикловых усталостных испытаний при изгибе с вращением при г =-1 образцов из стали 45 и стали 08Х14НДЛ без покрытия и после ПМСЭПФ на основе ТТ№ и №А1 на воздухе и в морской воде представлены на рисунке 10. Как видно из рисунка предел выносливости (о.[) для стали 45 после ПМСЭПФ №А1 увеличился на =31 %, после ПМСЭПФ 71М1 увеличился на 51%. Предел выносливости для стали 45 с Т1№ покрытием, полученным плазменным напылением механоактивиро-ванного порошка, увеличился на -29,7% по сравнению с пределом выносливости стали 45 с "ПМ покрытием, полученным плазменным напылением без предварительной механоактивации порошка. Предел выносливости стали 08X14НДЛ после ПМСЭПФ Т1№ на воздухе увеличился на 36,5%; после ПМСЭПФ "П№ в морской воде увеличился на 65%.

Малоцикловая усталость. Малоцикловые испытания образцов из стали 45 с ПМСЭПФ на основе "П№ и №А1 в условиях циклического растяжения с коэффициентом асимметрии г =0,3 также показали увеличение циклической долговечности в 1,3-1,4 раза в зависимости от амплитуды напряжений, причем, увеличение долговечности образцов с покрытием ТИ\П больше, чем для покрытия №А1 (испытания на водухе при Т=293К).

Повышение долговечности сталей ПМСЭПФ объясняется наност-руктурным состоянием, полученным в результате комбинированной обработки включающей плазменное напыление механически активированного порошка, ТО и ППД.

При деформировании ПМСЭПФ в поверхностных слоях имеет место затрудненное образование и развитие микротрещин, что подтверждается заметным увеличением максимальной накопленной деформации до разрушения образцов при достаточно высоких значениях величины обратимой

деформации (для TiNi более 5%). Одной из причин затрудненного трещи-нообразования является образование в процессе деформации мезострукту-ры из мелкодоменного, пакетированного мартенсита напряжения, организованного в виде игл, ориентированных в поле напряжений.

Износостойкость. Оценка сопротивления изнашиванию поверхностных слоев сплавов с ЭПФ TiNi и NiAl производилась по величине убыли массы TiNi и NiAl при весовом износе (ГОСТ 16429-70).

Испытания проводились при сухом трении закаленной втулки из стали У10 о поверхность образцов с покрытиями TiNi и NiAl толщиной 1мм, скорость вращения образца внутри втулки составляет 1500 об/мин, при нагрузке 300Н. На рисунке 11 представлены результаты обработки данных экспериментов (с помощью прикладного пакета Statistica v6.0 в среде SPSS) при испытаниях на износостойкость стали 45 после ПМ сплавами TiNi и NiAl. Износостойкость стали 45 после ПМСЭПФ TiNi повышается в 3-3,5 раза, после ПМСЭПФ NiAl повышается в 2-2,5 раза.

Рисунок 11 - Интенсивности изнашивания образцов ПМСЭПФ TiNi, NiAl

Время, мин

Коррозионная стойкость. Для сравнения характеристик сопротивления коррозии поверхностных слоев из сплава с ЭПФ (Т1№ и №А1) в средах средней агрессивности по потере массы Рт, г/м2 -ч на рисунке 12 и в таблице 2 приведены обобщенные результаты коррозионных испытаний исследуемых сталей до и после ПМ Т1№ и №А1 плазменным напылением.

Рисунок 12 - Скорость коррозии слоев Т1№, №А), стали 40Х в морской воде

2ООО ЛООО 6 ООО 8000 10000 12ООО

Таблица 2 - Количественная оценка коррозионной стойкости сталей с поверхностным слоем сплава с ЭПФ (Т1№ и №А1) в различных средах

Материал Среда

Вода Морская Н2804 НС1

20±2'С,3-10:|ч 20±2°С,104ч 5%, 1,5103ч 5%, 5,61-103ч

Показатель коррозии рт, г/м2 ч

Стань 45 0,152 - 0,37 0,0372

Сталь 40Х 0,128 0,038 - -

ПН Т1№ 0 0,021 0,12 0,023

ПН №А1 0 0,025 0,16 0,026

Экспериментально подтверждены высокие коррозионные характеристики Т1№ и №А1 слоев в водопроводной и в морской воде. Произведена оценка устойчивости поверхностных слоев сплава Т1№ и №А1, в средах высокой агрессивности на основе соляной и серной кислот различных концентраций.

Пятая глава посвящена разработке способов повышения циклической долговечности и функционально-механических свойств изделий ПМСЭПФ.

Функциональные свойства ПМСЭПФ реализованы в термомеханиче-ски управляемом кольцевом биметаллическом элементе запорной арматуры (патент РФ № 2383806). На примере термомеханически управляемого разъемного соединения (решение о выдаче патента № 2008132286) и запорной арматуры показана возможность и экономическая целесообразность использования поверхностного модифицирования деталей материалами с ЭПФ для обеспечения функциональных свойств.

В качестве практической реализации материалов, поверхностно-модифицированных сплавами с ЭПФ предложено использовать покрытие на основе Т1№ для повышения долговечности гребного винта судна. На основе анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) лопасти гребного винта (ГВ) судна с учетом влияния наноразмерного Т>№ покрытия показано, что покрытие из материала с ЭПФ на основе Т!№ (как в аустенитном, так и в мартенситном состояниях) приводит к снижению напряжений в наиболее опасной зоне на поверхности в 2-2,5 раза по сравнению с напряжением в основном металле и обеспечивает замедление процесса накопления повреждений на стадии нелокализованной повреждаемости.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Результаты проведенного исследования позволяют сделать следующие выводы:

- предложен комплексный метод формирования поверхностно-модифицированных слоев из материалов с ЭПФ, включающий плазменное напыление механоактивированных порошков на основе Т1№ и №А1, последующую термическую и термомеханическую обработку и позво-

ляющий получать в поверхностных слоях наноструктурное состояние, обладающее высоким уровнем функциональных, механических и эксплуатационных свойств; показано, что предварительная механоактивация порошков позволяет снизить пористость покрытий до 5% и обеспечить прочность сцепления покрытия с основой (50-60МПа);

- описан механизм формирования наноструктурного состояния в порошках Т1№ и №А1 при интенсивной пластической деформации в процессе механической активации, включающий стадии высокоскоростного деформирования, полигонизации и рекристаллизации; показано, что образовавшиеся при механоактивации наноструктурированные частицы порошка в процессе плазменного напыления при соприкосновении с холодной подложкой испытывают высокие контактные давления, приводящие к деформированию частицы в соотношении 1:7,7; выделение энергии, запасенной в процессе механической активации в виде различного рода дефектов, приводит к лучшему соединению напыляемых частиц между собой и с основой, т.е. обеспечивает хорошие адгезионные свойства и меньшую пористость, а имеющий место высокий градиент температур между подложкой и частицей порошка создает дополнительные условия нанострукту-рирования. Кристаллизация в процессе плазменного напыления сопровождается образованием зародышей на флуктуациях дальнего порядка, количество и размер которых определяется степенью переохлаждения. При охлаждении с критической скоростью кристаллизация протекает в условиях дефицита тепла и температура на фронте растущего кристалла резко снижается. Это приводит к приостановке роста кристаллов на определенном этапе и расплав, оставшийся непревращенным, затвердевает с образованием аморфного состояния. Аморфная составляющая, испытывая горячую пластическую деформацию, в дальнейшем претерпевает динамическую рекристаллизацию с образованием наноразмерной структуры;

- для решения проблемных вопросов оптимизации режимов поверхностного модифицирования предложена универсальная установка (заявка на патент № 2009110620, приоритет от 23.03.09), конструктивные и технологические особенности которой, позволяют в едином технологическом цикле эффективно воздействовать на структурообразование и формирование свойств;

- разработана технология поверхностного модифицирования конструкционных и легированных сталей материалами с ЭПФ на основе "П№ и №А1; установлена корреляционная связь между технологическими параметрами и параметрами выхода (прочностью сцепления, когезией, пористостью); оптимизированы параметры механоактивации, плазменного напыления и последующей ТМО;

- на основании комплексных металлофизических исследований поверхностно-модифицированных слоев (электронная микроскопия, спектроскопия, рентгенофазовый, калориметрический, дюрометрический анализ) получены новые сведения о наноразмерной композиции в пределах

поверхностно-модифицированного слоя, о его механических свойствах, фазовом составе, определяющем функциональные свойства, что позволяет находить пути их целенаправленного формирования для различных условий эксплуатации;

- оценена эволюция структуры на всех этапах поверхностного модифицирования методом мультифрактальной параметризации и вскрыты взаимосвязи структурной организации в ПМСЭПФ с прочностными свойствами; получены зависимости с использованием критерия микротвердости и толщины поверхностного слоя сплавов с ЭПФ; установлено, что максимальной адаптивностью к внешнему воздействию (А,,,(Т!М1)=0,725 А¥(№мг0,698) обладает большая часть (до 90%) поверхностно-модифицированного слоя; в переходной зоне имеет место деградация структуры; эффективная толщина поверхностно-модифицированного слоя из материалов с ЭПФ составляет 950 мкм; '

- получены экспериментальные данные о влияний поверхностного модифицирования материалами с ЭПФ на механические свойства при циклическом нагружении, на износостойкость и коррозионную стойкость; подтверждено повышение предела выносливости стали 45, поверхностно-модифицированной сплавом на 51%, №А1 - на 31% и стали 08X14НДЛ после поверхностного модифицирования на 36,5% (воздух) и на 65% (морская вода); предел выносливости для стали 45 с Тл№ покрытием, полученным плазменным напылением механоактивированного порошка, увеличился на -29,7% по сравнению с пределом выносливости для стали 45 с Т1№ покрытием, полученным ПН порошка без механоакти-вации; износостойкость стали 45 с поверхностным слоем Т1№ повышается в 3-3,5 раза, №А1 - в 2-2,5 раза; экспериментально подтверждены высокие коррозионные свойства поверхностных слоев Т1№ и №А1 слоев в морской воде;

- разработанные технологии поверхностного модифицирования сталей материалами с ЭПФ ТИ\П и МА! апробированы на предприятии РФ «Новороссийское морское пароходство» (г. Новороссийск), успешно прошли стендовые испытания в условиях воздействия морской воды, показали повышение долговечности стали 08X14НДЛ с покрытием Л№ на 65 % и рекомендованы к внедрению на ООО «Судовой технический сервис»; на примере термомеханически управляемого разъемного соединения и запорной арматуры показана возможность и экономическая целесообразность использования поверхностного модифицирования деталей материалами с ЭПФ для обеспечения функциональных свойств;

- результаты проведенных исследований используются в учебном процессе в виде содержательной части лекций, учебных пособий в разделе «Механические свойства и испытания материалов».

Публикации по теме диссертации

1. Бледнова Ж.М., Чаевский М.И., Русинов П.О. Формирование нанома-териалов и наноструктурированных поверхностных слоев // НПМ-2007: Сб. науч. труд, междун. конф. Волгоград: ВолгГТУ. 2007. -С. 26-28.

2. Бледнова Ж.М., Чаевский М.И., Русинов П.О. О возможных технологиях создания наноструктурированных поверхностных слоев // Нано-материалы. Харьковская нанотехнологическая ассамблея - 2008: Сб. науч. труд, междун. конф. Харьков. 2008. с. 140-147.

3. Бледнова Ж.М., Чаевский М.И., Русинов П.О. Методические подходы и новые технические решения для формирования наноструктурированных поверхностных слоев в условиях высокого градиента температур // Упрочняющие технологии и покрытия 2008. № U.c. 45-54.

4. Бледнова Ж.М., Русинов П.О. Формирование функциональных покрытий с эффектом памяти формы на основе Ti-Ni плазменной наплавкой и их эксплуатационные свойства // Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня: Сб. науч. труд. 11-ой международной научно-практической конференции, в 2ч. С.-Петербург, 2009. - Ч. 1. -С. 152-157.

5. Бледнова Ж.М., Русинов П.О. Структурные особенности формирования функциональных покрытий с эффектом памяти формы на основе TiNi при плазменной наплавке // Физическая мезомеханика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов: Сб. науч. докл. междун. конф. Томск. ИФПМ: СО РАН. 2009. - С. 388-391.

6. Бледнова Ж.М., Починков P.A., Русинов П.О. Влияние поверхностного модифицирования материалом с ЭПФ на основе TiNi на напряженно-деформированное состояние лопасти гребного винта // Безопасность и живучесть технических систем. Сб. науч. труд. Всерос. конф. Красноярск. 2009. С. 116-120.

7. Бледнова Ж.М., Русинов П.О. Структурно-механические свойства формирования функциональных покрытий из сплава с эффектом памяти формы NiAl при плазменном воздействии // Деформация и разрушение материалов и наноматериалов DFMN-2009: Сб. Междун. конф. Москва. ИМЕТ им. A.A. Байкова. 2009,- С. 446-447.

8. Бледнова Ж.М., Русинов П.О. Формирование наноструктурированных поверхностных слоёв из материалов с памятью формы на основе TiNi плазменной наплавкой // Упрочняющие технологии и покрытия 2009. № 8. С. 23-32.

9. Бледнова Ж.М., Русинов П.О. Формирование наноструктурированных поверхностных слоев плазменным напылением механоактивирован-

ных порошков из сплавов с ЭПФ //Российские нанотехнологии. 2010. т.5. № 3-4. С. 58-64.

10. Бледнова Ж.М., Русинов П.О. Структурно-механические особенности формирования поверхностных слоёв при плазменном напылении NiAl // Известия вузов. Сев.- Кавказ, регион. Технические науки. 2009. № 6. С. 84-89.

11. Бледнова Ж.М., Мышевский И.С., Русинов П.О. Оценка влияния железа на структурообразование в сплавах Ni-Ti-Fe // Вопросы материаловедения. 2009. № 4. С. 17-24.

12. Бледнова Ж.М., Махутов Н.А, Починков P.A., Русинов П.О. Технологические методы повышения надежности лопастей гребного винта // Проблемы машиностроения и автоматизации, 20Ю.-№ 1,- С. 117-127.

13. Бледнова Ж.М., Русинов П.О. Структурные и технологические закономерности формирования поверхностных наноструктурированных слоев из материалов с эффектом памяти формы плазменным напылением механоактивированных порошков // Развитие нанотехнологиче-ского проекта в России: состояние и перспективы. Сб. мат. конф. НОР. НИЯУ «МИФИ» Москва. 2009. С. 121-126.

14. Русинов П.О., Петроченко А.П., Бледнова Ж.М. Влияние механической активации порошков из материалов с эффектом памяти формы на структуру и свойства поверхностных слоев при плазменном напылении // Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня: Сб. науч. труд. 12-ой международной научно-практической конференции,, в 2ч. С.-Петербург. 2010.

15. Пат. 2354751 Российская Федерация, МПК С23С 28/2, В82В 3/00 (2006.01). Способ получения наноструктурированного металлического листа / Чаевский М.И., Махутов Н.А, Бледнова Ж.М., Русинов П.О.; заяв. и патентообл. КубГТУ - № 2007124930/02; заявл. 2.07.2007; опубл. 10.05.2009, Бюл. №13. - 5с.: ил.

16. Пат. 2383806 Российская Федерация, МПК F16K31/70, F16K17/38, 16К11/04 (2006.01) Запорная арматура / Бледнова Ж.М., Русинов П.О., Чаевский М.И.; заяв. и патентообл. КубГТУ - 2009110621/06, заявл. 23.03.2009; опубл. 10.03.2010. 5с.: ил. 1.

17. Реш. о выдаче по заявке № 2008132286 Российская Федерация, МПК С23С 10/00 (2006.01). Способ закрепления на валу сопрягаемых цилиндрических деталей / Бледнова Ж.М., Русинов П.О. заяв. 4.08.08; опубл. 10.02.2010. 7с.: ил.1.

Подписано в печать 27.04.2010. Печать трафаретная. Формат60x84 1/16. Усл. печ.л. 1,36. Тираж 100экз. 3акач№304. Огпечатаио в ООО «Издательский Дом-ЮГ» 350072, г. Краснодар, ул. Московская 2, корп. «В», оф. В-120, тел. 8-918-41-50-571

Актуальность проблемы. Стратегическим направлением современного материаловедения является создание перспективных материалов и технологий специального назначения, к числу которых относятся сплавы с эффектом памяти формы (ЭПФ). Уникальное сочетание функциональных свойств памяти с высокими механическими характеристиками нашли широкое практическое применение при создании изделий, стабильно работающих в условиях длительного механоциклирования, коррозионных сред, ударных воздействий и интенсивного изнашивания, с возможностью обратимого формоизменения. В машиностроении использование таких материалов в качестве конструкционных является экономически нецелесообразным. Значительное снижение стоимости при одновременном обеспечении функционально-механических свойств может быть достигнуто за счет формирования поверхностных нано-структурированных слоев из сплавов с ЭПФ.

В проблеме получения наноструктурированных покрытий из сплавов с ЭПФ есть свои существенные сложности как структурные, технологические, так и связанные с изменением функционального и механического поведения деталей с покрытиями. Одним из перспективных методов обработки поверхности как с точки зрения формирования требуемой структуры и свойств, так и специальных возможностей является плазменное напыление. Поэтому интерес представляет исследование структурных и механических особенностей поверхностно модифицированных слоев из сплава с ЭПФ (ПМСЭПФ), полученных в условиях плазменного воздействия.

Связь работы с научно-техническими программами.

Работа выполнена по НИР: «Повышение долговечности деталей машин с помощью поверхностного модифицирования материалами с эффектом памяти формы» (6.5.2.01-05); "Повышение функционально-механических свойств сталей путем создания поверхностных слоев из материалов с эффектом памяти формы" в рамках программы РНП.2.1.2.4958 (2006-2008 гг.); РНП 2.1.2/6702 при поддержке Министерства образования и науки РФ (2009г).

Цель работы: повышение характеристик работоспособности покрытий из сплавов с ЭПФ на основе создания наноструктурного состояния материала с разработкой технологии их получения плазменным напылением механически активированных порошков.

Основные задачи исследования:

- обоснование выбора метода формирования поверхностных слоев из материалов с ЭПФ; разработка общих принципов техники поверхностного модифицирования с использованием плазменного напыления, обобщение опыта по выбору и оптимизации ее конструктивных и энергетических параметров; определение управляющих параметров технологического процесса и их оптимизация для обеспечения функционально-механических свойств;

- изучение особенностей фазовых превращений и структурообразования при плазменном напылении механоактивированного порошка;

- экспериментальное исследование функциональных, механических и эксплуатационных свойств ПМСЭПФ на основе TiNi и NiAl; оценка циклической долговечности и повреждаемости;

- исследование корреляционной связи между формирующейся структурной организацией на различных этапах поверхностного модифицирования (ПМ) с прочностными и эксплуатационными свойствами;

- разработка конструктивно-технологических решений с использованием материалов, ПМСЭПФ в условиях плазменного напыления, обеспечивающих заданные функциональные и механические свойства изделий; экспериментальная проверка предложенных технических решений.

Объектом исследования являются стали ПМСЭПФ (TiNi и NiAl).

Предметом исследования являются особенности структурообразования поверхностных слоев из сплавов с ЭПФ на основе TiNi и NiAl и их функционально-механические свойства.

Методология и методы проведенного исследования. Методы исследования, использованные в данной работе, базируются на основных положениях теории мартенситных превращений, механики разрушения, фрактального материаловедения, технологии машиностроения, математико-статистического анализа.

Научная новизна диссертационной работы;

- показано, что предварительная механоактивация порошков позволяет снизить пористость покрытий до 5% и обеспечить прочность сцепления покрытия с основой (50-60МПа);

- описан механизм формирования наноструктурного состояния в порошках TiNi и NiAI при интенсивной пластической деформации в процессе механической активации, включающий стадии высокоскоростного деформирования, полигонизации и рекристаллизации; показано, что образовавшиеся при механоактивации наноструктурированные частицы порошка в процессе плазменного напыления и при соприкосновении с холодной подложкой испытывают высокие контактные давления, приводящие к деформированию частицы в соотношении 1 '.1,1 \ выделение энергии, запасенной в процессе механической активации в виде различного рода дефектов (дислокации, вакансии и др.) приводит к лучшему соединению напыляемых частиц между собой и с основой, т.е. обеспечивает хорошие адгезионные свойства и меньшую пористость, а имеющий место высокий градиент температур между подложкой и частицей порошка создает дополнительные условия для наноструктуриро-вания;

- установлена корреляционная связь между технологическими параметрами и параметрами выхода (прочностью сцепления, когезией, пористостью); оптимизированы параметры механоактивации, плазменного напыления и последующей ТМО;

- проведены комплексные металлофизические исследования ПМ слоев и получены новые сведения о наноструктурном состоянии поверхностного слоя, о его механических свойствах, фазовом составе, определяющем функциональные свойства; (микротвердость TiNi-слоя колеблется в пределах Нц=8,2-41,8 ГПа, NiAl-слоя в пределах 1^=4,5-^8,3 ГПа, размер зерна TiNi: 15-140 нм, NiAI: 90-200нм; эффект восстановления для сплава TiNi составил 5,8%, для сплава NiAI - 3,6%).

- оценена эволюция структуры на всех этапах ПМ методом мультифрак-тальной параметризации и вскрыты взаимосвязи структурной организации ПМСЭПФ с прочностными свойствами; получены зависимости с использованием критерия микротвердости и толщины поверхностного слоя сплавов с

ЭПФ; установлено, что максимальной адаптивностью к внешнему воздействию обладает до 90% поверхностно-модифицированного слоя;

- получены экспериментальные данные о влиянии поверхностных нано-структурированных слоев из материалов с ЭПФ на механические свойства при циклическом нагружении, на износостойкость и коррозионную стойкость и функциональные свойства памяти; выполнена расчетная оценка циклической долговечности и повреждаемости сталей с наноразмерным поверхностным слоем на основе TiNi и NiAl с использованием термодинамического критерия, основанного на аналогии деформирования, разрушения и плавления; показано, что формирование наноструктурированных поверхностных слоев из материалов с ЭПФ замедляет процесс накопления повреждений, достигающий 50% на стадии нелокализованного повреждения;

- произведена конечно-элементная оценка НДС лопасти гребного винта судна из стали 08X14НДЛ с учетом влияния наноразмерного покрытия на основе TiNi; покрытие толщиной 1 мм как в мартенситном, так и в аустенит-ном состоянии обеспечивает снижение напряжений в наиболее опасных зонах лопасти и с учетом повышенных характеристик TiNi сопротивления износу и коррозии в условиях воздействия сред способствует существенному повышению надежности.

Практическая значимость полученных результатов:

- предложено новое конструктивно-технологическое решение установки для ПМ с использованием плазменного напыления и последующей ТО и ТМО в едином технологическом цикле (заявка на патент № 2009110620, приоритет от 23.03.09);

- определены оптимальные технологические режимы ПМ, включающего предварительную подготовку поверхности, механоактивацию порошков, плазменное напыление подслоя Ni (только при формировании слоя TiNi) и основного слоя TiNi, последующую термическую и термомеханическую обработку (ТМО) в едином технологическом цикле и позволяющие получать наноразмерные TiNi (15-140нм) и NiAl (90-200нм) покрытия из сплавов с ЭПФ на сталях 45, 40Х, 08X14НДЛ;

- разработана сборно-разборная конструкция «вал-втулка» и запорная арматура с использованием свойств памяти формы TiNi и NiAl покрытий на деталях (патент № 2383806; реш. о выдаче патента по заявке № 2008132286 опубл. 10.02.2010.); показана возможность и экономическая целесообразность использования ПМСЭПФ для обеспечения функциональных и механических свойств;

Разработанные технологии ПМСЭПФ апробированы на предприятии РФ «Новороссийское морское пароходство» (г. Новороссийск).

Апробация результатов диссертации. Результаты работы докладывались на: Международной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения-2007», Волгоград, ВГТУ, 2009; V Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» Екатеринбург 2008; Международной конференции «Харьковская нанотехно-логическая ассамблея - 2008», Харьков, 2008; XXI Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» С.Петербург, 2009; Международной конференции по физической мезомехани-ке, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, ИФПМ СО РАН, Томск, 2009; III Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» DFMN-2009, ИМЕТ им. А.А. Байкова, Москва, 2009; Всероссийской конференции "Безопасность и живучесть технических систем" Красноярск, 2009; 1-ой ежегодной конференции Нанотехнологического общества России, развитие нанотехнологиче-ского проекта в России: состояние и перспективы, НИЯУ, «МИФИ», Москва, 2009.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 6 в изданиях, определенных перечнем ВАК. Получено 2 патента РФ № 2354751, № 2383806; решение о выдаче патента по заявке № 2008132286 опубл. 10.02.2010; подана заявка на патент № 2009110620, приоритет от 23.03.09.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 207 страницах, состоит из введения, 5 глав, заключения. Диссертация содержит 111 рисунков, 25 таблиц, список литературы из 214 наименований, приложение (копии патентов на изобретения и актов внедрения).

Обозначения и сокращения

ЭПФ эффект памяти формы;

ЭП эффект псевдоупругости (эффект сверхупругости);

МП мартенситное превращение;

Ms температура начала прямого МП;

Mf температура конца прямого МП;

Mj температура образования мартенсита напряжения;

As температура начала обратного МП;

Af температура конца обратного МП;

ПН плазменное напыление;

ПМ поверхностное модифицирование;

ПМСЭПФ поверхностно-модифицированный слой с эффектом памяти формы;

МФП мультифрактальная параметризация;

ТМЦ термомеханический цикл;

ТО термическая обработка;

ТМО термомеханическая обработка;

ПОД поверхностное пластическое деформирование;

МЦУ малоцикловая усталость;

TMPC термомеханические разъемные соединения;

НДС напряженно-деформированное состояние;

МКЭ метод конечных элементов;

ГВ гребной винт;

ТПМ термический перенос масс.

Содержание

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ Результаты проведенного исследования позволяют сделать следующие выводы:

- предложен комплексный метод формирования поверхностно-модифицированных слоев из материалов с ЭПФ, включающий плазменное напыление механоактивированных порошков на основе TiNi и NiAI, последующую термическую и термомеханическую обработку и позволяющий получать в поверхностных слоях наноразмерное состояние, обладающее высоким уровнем функциональных, механических и эксплуатационных свойств; показано, что предварительная механоактивация порошков позволяет снизить пористость покрытий до 5% и обеспечить прочность сцепления покрытия с основой (50-60МПа);

- описан механизм формирования наноструктурного состояния в порошках TiNi и NiAI при интенсивной пластической деформации в процессе механической активации, включающий стадии высокоскоростного деформирования, полигонизации и рекристаллизации; показано, что образовавшиеся при механоактивации наноструктурированные частицы порошка в процессе плазменного напыления и при соприкосновении с холодной подложкой испытывают высокие контактные давления, приводящие к деформированию частицы в соотношении 1:7,7; выделение энергии, запасенной в процессе механической активации в виде различного рода дефектов приводит к лучшему соединению напыляемых частиц между собой и с основой, т.е. обеспечивает хорошие адгезионные свойства и меньшую пористость, а имеющий место высокий градиент температур между подложкой и частицей порошка создает дополнительные условия наноструктурирования. Кристаллизация в процессе плазменного напыления сопровождается образованием зародышей на флуктуациях дальнего порядка, количество и размер которых определяется степенью переохлаждения. При охлаждении с критической скоростью кристаллизация протекает в условиях дефицита тепла и температура на фронте растущего кристалла резко снижается. Это приводит к тому, что на определенном этапе рост кристаллов приостанавливается, а оставшийся непревра-щенным расплав затвердевает с образованием аморфного состояния. Аморфная составляющая, испытывая горячую пластическую деформацию, в дальнейшем испытывает динамическую рекристаллизацию с образованием наноразмерной структуры;

- для решения проблемных вопросов оптимизации режимов поверхностного модифицирования предложена универсальная установка (заявка на патент № 2009110620, приоритет от 23.03.09), конструктивные и технологические особенности которой, позволяют в едином технологическом цикле эффективно воздействовать на структурообразование и формирование свойств;

- разработана технология поверхностного модифицирования конструкционных и легированных сталей материалами с ЭПФ на основе TiNi и NiAl; установлена корреляционная связь между технологическими параметрами и параметрами выхода (прочностью сцепления, когезией, пористостью); оптимизированы параметры механоактивации, плазменного напыления и последующей ТМО;

- на основании комплексных металлофизических исследований поверхностно-модифицированных слоев (электронная микроскопия, спектроскопия, рентгенофазовый, калориметрический, дюрометрический анализ) получены новые сведения о наноразмерной композиции в пределах поверхностно-модифицированного слоя, о его механических свойствах, фазовом составе, определяющем функциональные свойства, что позволяет находить пути их целенаправленного формирования для различных условий эксплуатации;

- оценена эволюция структуры на всех этапах поверхностного модифицирования методом мультифрактальной параметризации и вскрыты взаимосвязи структурной организации в ПМСЭПФ с прочностными свойствами; получены зависимости с использованием критерия микротвердости и толщины поверхностного слоя сплавов с ЭПФ; установлено, что максимальной адаптивностью к внешнему воздействию (Av(TiNj)=0,725 Av(NiAi)=0,698) обладает большая часть (до 90%) поверхностно-модифицированного слоя; в переходной зоне имеет место деградация структуры; эффективная толщина поверхностно-модифицированного слоя из материалов с ЭПФ составляет 950 мкм;

- получены экспериментальные данные о влиянии поверхностного модифицирования материалами с ЭПФ на механические свойства при циклическом нагружении, на износостойкость и коррозионную стойкость; подтверждено повышение предела выносливости стали 45, поверхностно-модифицированной сплавом TiNi, на 51%, NiAI - на 31% и стали 08Х14НДЛ после поверхностного модифицирования TiNi на 36,5% (воздух) и на 65% (морская вода); предел выносливости для стали 45 с наноразмерным TiNi покрытием полученным плазменным напылением механоактивиро \ ванного порошка увеличился на —29,7% по сравнению с пределом выносливости для стали 45 с ультрамикрокристаллическим TiNi покрытием полученным ПН обычного порошка; износостойкость стали 45 с поверхностным слоем TiNi повышается в 3-3,5 раза, NiAI - в 2-2,5 раза; экспериментально подтверждены высокие коррозионные свойства поверхностных слоев TiNi и NiAI слоев в морской воде;

- выполнена расчетная оценка циклической долговечности сталей с поверхностно-модифицированным слоем TiNi и NiAI на основе термодинамического критерия, основанного на аналогии деформирования разрушения и плавления; применительно к используемой модели определен параметр повреждаемости, позволивший оценить закономерности накопления повреждений; показано замедление процесса накопления повреждений на стадии не-локализованного повреждения на 30-50 %;

- выполнено конечно-элементное моделирование лопасти гребного винта судна с наноразмерным (средний размер зерна 80нм) покрытием на основе

TiNi толщиной 1 мм и оценено НДС; показано, что напряжение в покрытии в наиболее опасных зонах лопасти в 2-2,5 раза ниже, чем в основном металле и с учетом повышенных характеристик TiNi сопротивления износу и коррозии в условиях воздействия сред способствует повышению надежности;

- разработанные технологии поверхностного модифицирования сталей материалами с ЭПФ TiNi и NiAl апробированы на предприятии РФ «Новороссийское морское пароходство» (г. Новороссийск), успешно прошли стендовые испытания в условиях воздействия морской воды, показали повышение долговечности стали 08X14НДЛ с покрытием TiNi на 65 % и рекомендованы к внедрению на ООО «Судовой технический сервис»; на примере термоме-ханически управляемого разъемного соединения и запорной арматуры показана возможность и экономическая целесообразность использования поверхностного модифицирования деталей материалами с ЭПФ для обеспечения функциональных свойств;

- результаты проведенных исследований используются в учебном процес- с се в виде содержательной части лекций, учебных пособий в разделе «Механические свойства и испытания материалов».

1. Новые материалы / Под ред. Ю.С. Карабасова. М.: МИСиС, 2002 — 736с.

2. Перспективные материалы. Структура и методы исследования / Под ред. Д.Л. Мерсона ТГУ, МИСиС, 2006 - 536с.

3. Вольченко Д.А. Сплавы с памятью формы // Автомобильная промышленность. 1991. - №8. - с. 30-31.

4. Peel C.J. Advances in materials for aerospace // The Aeronautical Journal.,— 1996.-Vol. 100.-pp. 487-503.

5. Курдюмов Г.В., Хандрос Л.Г. Открытие № 239. Явление термоупругого равновесия при фазовых превращениях мартенситного типа (эффект Курдюмова). 1980.

6. Курдюмов Г.В., Хандрос Л.Г. // Металлофизика. 1981. - Т. 3, № 2. — С. 124-127.

7. Shape memory alloys: Fundamentals, modeling, applications. / V. Brailovski, S. Prokoshkin, P. Terriault, F. Trochu, Editors Montreal: ETS Publ., 2003, 85 lp.

8. Материалы с эффектом памяти формы. Справочное издание, т.1 / Под редакцией В.А. Лихачева. Спб., НИИХ, СпбГУ, 1997, 424с.

9. Ильин А А. Сплавы с эффектом запоминания формы (обзор) / Итоги науки и техники. Металловедение и термическая обработка. — М.: ВИНИТИ. 1991. -т.25, с. 3-59.

10. Корнилов И.И., Борискина Н.Г. // Доклады АН СССР, 1956. Т. 108. №6. - с.1083-1085.

11. Лихачев В.А., Кузьмин С.Л., Каменцева З.П. Эффект памяти формы. Л.:1. ЛГУ, 1987.-216с.

12. Лихачев В.А. Эффект памяти формы // Соросовский образовательный журнал. Физика. 1997. - № 3. - С. 107-114.

13. Duering T.W. Engineering Aspects of Shape Memoiy Alloys/ London: Buttenworth-Heinemann, 1990.-499 p.

14. Хачин B.H. Никелид титана. Структура и свойства / В.Н. Хачин, В.Г. Пушин,

15. В.В. Кондратьев. М.: Наука. - 1992. - 160 с.

16. Курдюмов Г.В., Хандрос Л.Г. О "термоупругом" равновесии при мартенситных превращениях // ДАН СССР. 1949. - Т. 66, № 2. - С. 211-220.

17. Shape Memoiy Application Inc. // Веб-ресурс. http: // www.sma-inc.com.

18. Otsuka К. Science and technology of shape-memory alloys: new developments / K. Otsuka, T. Kakeshita // Веб-ресурс. http: // www.mrs.org/publicatios/bulletin.

19. Материалы с эффектом памяти формы / Справочник: Под ред. Лихачева В.А. Т. 2. - СПб.: Изд-во НИИХ СПбГУ, 1998. - 374 с. / Т. 3 - СПб.: Изд-во НИИХ СПбГУ, 1998, 474 с. / Т.4. - СПб.: Изд-во НИИХ СПбГУ, 1998. -268 с.

20. Отцука К. Сплавы с эффектом памяти формы / К. Отцука, К. Симидзу, Ю.

21. Судзуки // Под ред. X. Фунакубо. М.: Металлургия, 1990. - 224с.

22. Microstructure and fracture toughness of the in-situ NiAl Ni3Al intermetalliccomposites. Qian Gao. Waterloo, Ontario, Canada, 1997. 312p.

23. Эффекты памяти формы и их применение в медицине. / Под ред. Монасевича

24. Л.А. Новосибирск, Наука, Сибирское отд., 1992, 742с.

25. Сплавы с термомеханической памятью формы и их применение в медицине. /

26. Журавлев В.Н., Пушин В.Г. Екатеринбург, УрО РАН, 2000, 150 с.

27. Ming Н. Wu Fabrication of Nitinol Materials and Components /^Proceedings ofthe International Conference on Shape Memory and Superelastic Technologies, Kunming, China, pp.285-292 (2001).

28. Мартынова И. Ф., Скороход В. В., Солонин С. М. и. др. Сверхупругое поведение порошкового никелида титана в процессе прессования // Порошковая металлургия. 1985. - №2. - С. 13-17.

29. Andreasen G.F., Fahl J. L. Alloys, Shape Memory. / Encyclopedia of medicaldevices and instrumentation, ed. Webster J. G., Volume 2. — Wiley, New York.-1987.-pp. 15-20.

30. Аксенов Г. И., Дроздов И. А., Сорокин А. М. и. др. Фазовый состав и свойства спеченных образцов, спрессованных из порошковой смеси никеля и титана//Порошковая металлургия. 1981. - №5. - С. 39-42.

31. Никелид титана. Структура и свойства. /Хачин В.Н., Кондратьев В.В., Пушин В.Г. М., Наука, 1992, 160с.

32. Концентрационные, температурные и деформационные зависимости параметров решетки мартенсита в бинарных сплавах TiNi. Коротицкий А.В. Дисс. к.ф.м.н. - М.: МИСиС, 2004, 119с.

33. T.Ohba, T.Fukuda, T.Tabata, T.Kakeshita. Neutron scattering study on equi-atomic TiNi alloy // J. Phys. IV. Part II. Proc. Int. Conf. on Mart.Transf. (ICO-MAT-02). Espoo, Finland, 2002. p.639-642.

34. Даниленко B.M., Лукашенко Г.М., Прима С.Б. Модельное описание фазовых равновесий в системе Ti-Ni // Порошковая металлургия. — 1991. -№5.-С. 70-75.

35. Potapov P.L., Song S.Y., Udovenko V.A., Prokoshkin S.D. X-ray Study of Phase Transformations in Martensitic Ni-Al Alloys. Metallurgical and materials transactions A, 1997, Vol. 28A, №5, p. 1133.

36. Sieber H., Park J.S., Weissmuller J., Perepezko J.H., Structural evolution andphase formation in cold-rolled aluminium-nickel multilayers. Acta mater. -2001.-V. 49.-p. 1139-1151.

37. Qian Gao. Microstructure and fracture toughness of the in-situ NiAl-Ni3Al intermetallic composites. Waterloo, Ontario, Canada. - 1997. p.312.

38. Kim H.Y., Miyazaki S. Martensite transformation behavior in Ni-Al and Ni

39. Al-Re melt-spun ribbons. Scripta Mater. 2004. - V.50. - p.237-241.

40. Xie C.Y., Hsu T.Y., Chung C.Y. Shape memory effect of Nd-doped polycrystalline NiAl alloys. Scripta Mater. 1998. - V.38, № 6 - p. 969-974.

41. Potapov P.L., Ochin P., Pon S.J., Schryvers D. Nanoscale inhomogencities in melt-spun Ni-Al. Acta Mater. 2000. - V.48. p. 3833-3845.

42. George E. P., Liuy С. Т., Horton J. A., Sparks C. J., Kao M., Kunsmann

43. H., King T. Characterization, Processing, and Alloy Design of NiAl-Based Shape Memory Alloys.- Materials characterization. 1994, 32, 139-160.

44. Lelatko J., Morawiec H. Effect of NiAl precipitation on shape recoveryof CuZnAINi alloy. Materials science. 1996, 31, 2767-2773.

45. Kositsyn S. V., Valiullin A. I., Kataeva N. V., Kositsyna 1.1. Investigation of

46. Kainuma R., Ohtani H., Ishida K. Effect of Alloying Elements on Martensitic Transformation in the Binary NiAl((3) Phase Alloys. Metallurgical and materials transactions A, 1996, Vol. 27A, №9, p. 2445.

47. Литвинов В. С., Зеленин Л. П., Шкляр Р. Ш. Бездиффузионноепревращение в Ni-Al сплавах с решеткой хлористого цезия. ФММ, 1971, 31, вып. 1, с. 138-142.

48. Hughes Т., Lautenschlager Е. P., Cohen J. В., Brittain J. О. X-ray diffractioninvestigation of P'-NiAl alloys. J. Appl. Phys., 1971, 42. N 10., p. 37053716.

49. Enami K., Hasunuma J., Nagasawa A., Nenno S. Elastic softening and electron-diffraction anomalies prior to the martensitic transformation in a Ni-Al p alloy.- ScriptaMet. 1976, 10, N 10, p. 879-884.

50. Литвинов В. С, Архангельская А. А. Упорядочение никель алюминиевого мартенсита. ФММ, 1977, 43, вып. 5, с. 1044-1051.

51. Архангельская А. А., Литвинов В. С, Полева В. В. Упорядочение и нестабильность р'-фазы в системе Ni-Al. ФММ, 1979, 48, вып. 6, с 12561261.

52. Enami К, Nagasawa A., Nenno S. On the premartensitic transformation in the

53. Ni-Al Pi alloy. Scripta Met. 1978. 12, N 3, p. 223-226.

54. Martynov V. V., Enami K., Khandros L. G. e a. Crystal structure of stress- . induced and thermal martensites in 63,1 at.% Ni-Al alloy. Scripts Met.,r1983, 17, N 10, p. 1167-1171.

55. Potapov P.L., Poliakova N.A., Udovenko V. A. The shape memory behaviourin 63.8Ni-Al alloy. Scripta Mater. 1996. - V.35, № 3. - p. 423 - 427.

56. Lee K.K., Potapov P.L., Song S. Y., Shin M.C. Shape memory effect in NiMnbasen alloys. Scripta Mater. 1997. - V.36, № 2. - p. 207-212.

57. Коваль Ю.М. Сплавы с эффектом памяти формы — мощный класс функциональных материалов //Наука та шновацп. №2, 2005. - с.80-95.

58. Tobushi Н., Kimura К., Sawada Т., Hattori Т., Lin P. Recovery stress associated with R phase transformation in TiNi shape memory alloy // JSME International Journal. 1994. - Series A. - V.37. -No.2 - p. 138-142.

59. K. Otsuka, X. Ren. Martensitic transformation in nonferrous shape memory alloys. Materials Science and Engineering A273-275 (1999) 89-105.

60. Зельдович В.И., Хомская И.В., Фролова Н.Ю. и др. О зарождении R мартенсита в никелиде титана. // ФММ. 2001. — Т.92. - №5.

61. Da Silva Е.Р. Calorimetric analysis of the two-way memory effect in a NiTialloy experiments and calculation // Scripta Materialia. 1999. - V.40. -No. 10. - p. 1123-1129.

62. Wada К., Liu Y. Factors affecting the generation of stress-assisted two-way memory effect in NiTi shape memory alloy // Journal of alloys and compounds.-2005.-V.40.-p. 163-170.

63. Khalil-Allafi J., Eggeler G., Dlouhy A., Schmahl W.W., Somsen Ch. On theinfluence of heterogeneous precipitation on martensitic transformation in a Ni-rich NiTi shape memory alloy // Materials science and Engineering. -2004.-A378.-p. 148-151.

64. S. Siegmann, K. Halter, B. Wielage. Vacuum plasma sprayed coatings and freestanding parts of Ni-Ti shape memory alloy // Proc. of Int. Thermal Spray Conf. (ITSC 2002). Essen, 2002. p.357-361.

65. S.D. Prokoshkin, V. Brailovski et al. Concentration, temperature and deformation dependences of MLP in binary TiNi shape memory alloys // J. Phys. IV. Proc. Int. Conf. on Mart.Transf. (ICOMAT-02). Espoo, Finland, 2002. P. II. p.639-642.

66. M.JT. Бернштейн Термомеханическая обработка металлов и сплавов. -Т.1,2 М., Металлургия, 1968, 1171с.

67. В.А. Андреев, М.А. Хусаинов, О.Ю. Волнянская, Н.В. Малых. Влияние термомеханической обработки на функциональные свойства сплавов с эффектом памяти формы. Актуальные проблемы прочности. Витебск 2004г. с. 310-313.

68. Прокошкин С.Д., Капуткина Л.М., Бондарева С.А. и др. Структура горячедеформированного аустенита и свойства TiNiFe после ВТМО // ФММ. 1991. -№3.-с. 144-149.

69. Абрамов В.Я., Александрова П.М., Боровков Д.В., Макушев С.Ю., Полякова

70. Белоусов М.Н., Коротицкий А.В., Макушев С.Ю., Прокошкин С.Д., Добаткин

71. СВ., Хмелевская И.Ю. Функциональные свойства сплава TiNi3%Fe, подвергнутого термомеханической обработке и интенсивной пластической деформации. // Сборник тезисов докладов XLIV Межд. конф. «Актуальные проблемы прочности», 3-7 октября 2005 г., с. 23.

72. Гундеров Д.В. Некоторые закономерности аморфизации и нанокристаллизации при интенсивной пластической деформации кристаллических и аморфных сплавов. // Электр. Научн. Журн. «Исследовано в России. — 2006. с. 10.

73. Lin Н.С., Wu S.K. The tensile behaviour of a cold-rolled and reverse transformed equiatomic TiNi alloy. // Acta metall. mater. 1994. - V.42. - No.5. -P. 1623-1630.

74. Lin H.C., Wu S.K. Determination of Heat of Transformation in a Cold-Rolled Martensitic TiNi Alloy. // Metallurgical Transactions A. 1993. - V.24. -No.2. - P. 293-299.

75. Filip P., Mazanec K. Influence of work hardening and heat treatment on thesubstructure and deformation behaviour of TiNi shape memory alloys. // Scripta Metallurgica at Materialia. 1995. - V.32. -No.9. - P. 1375-1380.

76. Morgan N.B., Friend CM. A review of shape memory stability in NiTi alloys. //ESOMAT 2000. Journal of Physique IV. 5* European Symposium on Martensitic Transformations and Shape Memory Alloys. 2000. - P. 325-332.

77. Зельдович В.И., Хомская И.В., Фролова П.Ю. и др. О зарождении Rмартенсита в никелиде титана. // ФММ. 2001. - Т. 92. - Jsr25.

78. Zhang Z., Frenzel J., Neuking K., Eggeler G. On the reaction between NiTimelts and crucible graphite during vacuum induction melting of NiTi shape memory alloys // Acta Materialia. 2005. - V. 53 - P. 3971-3985.

79. Прокошкин С.Д., Капуткина Л.М., Хмелевская И.Ю. и др. Структура исвойства сплавов Ti-Ni после термомеханической обработки. // Материалы XXVII Межреспубликанского семинара «Актуальные проблемы прочности», Ухта.-1992.-С. 151-154.

80. Бернштейн М.Л., Хасенов Б.П., Хасьяпов У. Многократная реализация эффекта памяти формы в сплаве TiNi. // МиТОМ. 1987. - JN22. - С. 4955.

81. Пушин В.Г., Юрченко Л.И., Куранова Н.Н. Сплавы с памятью формы, структура, фазовые превращения, свойства, применение. //Фазовые и структурные превращения в сталях. Сб. научн. тр. вып. 1. с. 135-191.

82. Tobushi Н., Ikai A., Yamada S., Tanaka К., Lexcellent С. Thermomechanical.properties of TiNi shape memory alloys // Journal de Physique IV. 1996 A. - Vol. CI, No. 6. - pp. 385-393.

83. Miyazaki S., Otsuka K. // Metallurgical Transactions, A. 1986. - Vol. 17App. 53-63.

84. Sawaguchi Т., Kaustrater G.,Yawny A., Wagner M., Eggeler G. Crack Initiation and Propagation in 50.9 At. pet Ni-Ti Pseudoelastic Shape-Memory Wires in Bending-Rotation Fatigue. Metallurgical and materials transactions A. V34A. 2003., p. 14.

85. Chen J.H., Sun W., Wang G.Z. Investigation on the Fracture Behavior of

86. Shape Memory Alloy NiTi. Metallurgical and materials transactions A. V36A. 2005., p.945.

87. Sittner P., Novak V. Anisotropy of martensitic transformations in modeling ofshape memory alloy polycrystals. I International Journal of Plasticity. VI6.2000. p. 1243-1268.

88. Jin J., Wang H. // Acta Metallurgica Sinica. 1988. - Vol. 24. - A66.

89. Li D.Y. Wear behavior of TiNi shape memory alloys // Scripta Materialia.1996. Vol. 43, No. 2. - pp. 195-200.

90. Liang Y.N., Li S.Z., Jin Y.B. et al. // Wear. 1996. - Vol. 198. - p. 236-241.

91. Richman R.H., Rao A.S., Kung D. Cavitation erosion of NiTi explosively welded to steel//Wear. 1995.-Vol. 181-183.-p. 80-85.

92. Li D.Y. A new type of wear-resistant material: pseudo-elastic TiNi alloy // Wear. 1998. - Vol. 221. - pp. 116-123.

93. Y. Fu, H. Du, S. Zhang. Functionally graded TiN/TiNi shape memory alloy films// J. Materials Letters. Vol.57. - 2003. - pp. 2995- 2999.

94. Y. Fu, H. Du, S. Zhang Deposition of TiN layer on TiNi thin films to improvesurface properties// Surface and Coating Technology. 2003. - pp. 129-136.

95. Hornbogen E. Martensitic transformation at a propagating crack // Acta Metallurgica. 1978.-Vol. 26, No. l.-pp. 147-152.

96. Melton K.N., Mercier O. Fatigue of NiTi thermoelastic martensites // Acta Metallurgica. 1979. - Vol. 27, № 1. - pp. 137-144.

97. McKelvey A.C., Ricthie R.O. Fatigue-crack growth behavior in the superelastic and shape-memory alloy Nitinol // Metallurgical and Materials Transactions A.-2001.-Vol. 32A, N. 3.-pp. 731-743.

98. Jang B.-K., Xu Y., et al and K. Otsuka. Thermomechanical Characterizationand Development of SMA Embedded CFRP Composites with Self-Damage Control.

99. Бледнова Ж.М., Степаненко M.A. Структура и свойства TiNi-покрытий с

100. ЭПФ, полученных лазерной наплавкой. «Известия вузов. Сев.-Кавк. регион. Технические науки». 2005. с. 38-49.

101. Cheng F.T. NiTi cladding on stainless steel by TIG surfacing process: Part I. Cavitation erosion behavior / F.T. Cheng, K.H. Lo, H.C. Man // J. Surface and Coatings Technology. 2003. - Vol. 172. - Iss.2/3. - pp. 308-315.

102. Chiu K.Y. Cavitation erosion resistance of AISI 316L stainless steel laser surfacemodified with NiTi / K.Y. Chiu, F.T. Cheng, H.C. Man // J. Materials Science and Engineering Technology. 2005. - A 392. - pp. 348-358.

103. Corrosion resistance of TiNi alloys // Веб-ресурс. http://www.aerofit.com/SMA/ corrwref.pdf.

104. Бледнова Ж.М., Мышевский И.С., Русинов П.О. Оценка влияния железа на структурообразование в сплавах Ni-Ti-Fe // Вопросы материаловедения. 2009. № 4. С. 17-24.

105. Тюрин А.Г. Электрохимия. 1990. т.26, вып. 12, с. 1599-1606.

106. Тюрин А.Г. Защита металлов. 2000. т.36, №1, с. 67-74.

107. Маршаков И.К., Введенский А.В., Кондрашин В.Ю., Боков Г.А. Анодное растворение и селективная коррозия сплавов. Воронеж: из-во Воронеж, ун. 1988. с.209.

108. Boysen Н., Frey F., Lerch М., Vogt Т. A neutron powder investigation of the high-temperature phase transition in №ТЮз //Zeitschr. Krystallogr. 1995. V 210. p. 328-337.

109. Linton J.A., Fei Y., Navrotsky A. The MgTi03-FeTi03 join at high pressure and temperature//Amer Miner. 1999. V.84. p. 1595-1603.

110. Сурикова H.C. Влияние примесей азота на деформацию монокристаллов TiNi (Fe, Mo) / H.C. Сурикова, O.B. Лысенко // Веб-ресурс. http://www.tsuab.ru/50LET/ACT/12tezl3.html.

111. Бледнова Ж.М., Махутов Н.А. Чаевский М.И. Поверхностное модифицирование материалами с эффектом памяти формы. Краснодар. Издательский Дом Юг. 2009. - 354 с.

112. Лякишев Н.П., Алымов М.И. Наноматериалы конструкционного назначения // Российские нанотехнологии . 2006. Т. 1-2. С. 71-81.

113. Панин В.Е. Конструкционные материалы с наноструктурными поверхностными слоями: фундаментальные проблемы и области промышленного освоения //Ультрадисперсные (нано-) материалы. Научная сессия МИФИ-2005. Т.9. С. 168-169.

114. Горынин И.В. Создание технологий и освоение промышленного производства конструкционных металлических материалов с двукратным повышением важнейших эксплуатационных свойств // Российские нанотехнологии. 2007. Т.1-2. С. 37-40.

115. Бледнова Ж.М., Чаевский М.И., Русинов П.О. О возможных технологиях создания наноструктурированных поверхностных слоев // Наноматериалы. Харьковская нанотехнологическая ассамблея — 2008: Сб. науч. труд, междун. конф. Харьков. 2008. с. 140-147.

116. Бледнова Ж.М., Чаевский М.И., Русинов П.О. Формирование наномате-риалов и наноструктурированных поверхностных слоёв // НПМ-2007: Сб. науч. труд, междун. конф. Волгоград: ВолгГТУ. 2007. С. 26-28.

117. Бледнова Ж.М., Чаевский М.И., Русинов П.О. Методические подходы и новые технические решения для формирования наноструктурированных поверхностных слоев в условиях высокого градиента температур // Упрочняющие технологии и покрытия 2008. № 11. с. 45-54.

118. ГОСТ 1050-88. Сталь углеродистая качественная конструкционная. — Взамен ГОСТ 1050-74; М.: Изд-во стандартов, 1988.- 15с.

119. ГОСТ 4543-71. Калиброванный прокат из легированной конструкционной стали. М.: Изд-во стандартов, 1971.-Зс.

120. ГОСТ 977-88. Отливки стальные. Общие технические условия. М.: Го-суд. ком. по станд. СССР, 1988.- 5с.

121. Встовский Г.В., Колмаков А.Г., Терентьев В.Ф.// Материаловедение, 1998.-№2.- С. 19-24.

122. Встовский Г.В., Колмаков А.Г., Терентьев В.Ф.// Известия РАН, серия «Металлы», 1993.-№4.- С. 164-178.

123. Chang S.H., Wu S.K., Chang G.H. Grain effect on multiple-stage transformations of a cold-rolled and annealed equiatomic TiNi alloy. // Scripta Materi-alia.-2005. V.52. P. 1341-1346.

124. Khelfaoui F., Guenin G. Influence of the recovery and recrystallization processes on the martensitic transformation of cold worked equiatomic Ti-Ni alloy. // Materials Science and Engineering. 2003. A355. P. 292-298.

125. Шелухин О.И., Осин A.B., Смольский C.M. Самоподобие и фракталы. Телекоммуникационные приложения. // М.: ФИЗМАТ ЛИТ. 2008. 368 с.

126. Встовский Г.В. Фрактальная параметризация структур в металлах и сплавах // Автореф. дис. д-ра физ.-мат. наук. Москва, 2001.

127. Кривоносова Е.А. Фрактальный анализ структурообразования сварных швов // Сварочное производство. 2005. - №7. - с.3-6.

128. Фракталы и прикладная синергетика 2005 / Сб. статей: Под ред. Ю.К. Ков-неристого и др.. М.: Интерконтакт Наука, 2005. - 279с.

129. Моделирование процессов в синергетических системах // Сб.статей. — Улан-Удэ Томск: ТГУ, 2002. - 250с.

130. Иванова B.C. Мультифрактальный метод тестирования устойчивости структур в материалах / B.C. Иванова, Г.В. Встовский, А.Г. Колмаков и др. // Уч.-мет. пособ. М: Интерконтакт Наука. - 2000. - 54с.

131. Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. — М.: Химия, 1975. — 816с.

132. Коррозия // Справ. Изд.: Под ред. Шрайера Л.Л. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1981.-632с.

133. Пузряков А.Ф. Теоретические основы технологии плазменного напыления. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 360 с.

134. Корнилов И.И., Борискина Н.Г. // Доклады АН СССР, 1956. Т. 108. - №6. -с.1083-1085.

135. Ганина Н.И. Диаграммы состояния металлических систем / Н.И. Ганина, A.M. Захаров и др.. М.: ВИНИТИ, 1989. - Вып. XXXIII. - 670 с.

136. Иванов В.М., Кудинов В.В., Морозов М.В., Суров Н.С. Повышение эффективности нагрева порошков при нанесении покрытий с помощью генераторов плазмы небольшой мощности. //ФХОМ. №2. - 1973. - С. 108112.

137. Самсонов Г.В., Эвшик А.П. Тугоплавкие покрытия. М.: Металлургия, 1973.-399 с.

138. Джонсон Н. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке /Н. Джонсон, Ф. Лион. -М.: Мир, 1981. -т.1, 2.

139. Бледнова Ж.М., Русинов П.О. Формирование наноструктурированных поверхностных слоёв из материалов с памятью формы на основе TiNi плазменной наплавкой // Упрочняющие технологии и покрытия 2009. № 8. С. 23-32.

140. Бледнова Ж.М., Русинов П.О. Формирование наноструктурированных поверхностных слоев плазменным напылением механоактивированных порошков из сплавов с ЭПФ //Российские нанотехнологии. 2010. т.5. № 3-4. С. 58-64.

141. Жигунов В.В. Диффузионные взаимодействия при получении порошков никелида титана / В.В. Жигунов, В.И. Котенев // Сб.науч.тр. Тула: ТПИ, 1986.-с. 67-71.

142. Khalil-AHafi J., Dlouhy A., Eggeler G. Ni4Ti3 precipitation during aging of NiTi shape memory alloys and its influence on Martensite phase transformation // Acta Materialia. 2002. V.50. p. 4255-4274.

143. Бледнова Ж.М. Получение покрытий из сплава нитинол с эффектом памяти формы на поверхности сталей 45 и 40Х аргонодуговой наплавкой / Ж.М. Бледнова, Д.Г. Будревич, Н.А. Махутов и др. // МиТОМ. 2003. - № 10.-С.26-29.

144. Бледнова Ж.М. Структурно-механические свойства материалов, поверхностно-модифицированных сплавами с эффектом памяти формы / Ж.М. Бледнова, Д.Г. Будревич, Н.А. Махутов, М.И. Чаевский // Заводская лаборатория. 2003. - № 9. - с. 61-64.

145. Бледнова Ж.М., Русинов П.О. Структурно-механические особенности формирования поверхностных слоев при плазменном напылении NiAI // Известия вузов. Сев.- Кавказ, регион. Технические науки. 2009. № 6. С. 84-89.

146. Иванова B.C. Синергетика и фракталы в материаловедении / B.C. Иванова, А.С. Баланкин, И.Ж. Бунин, и др.. -М.: Наука. 1994. - 383с.

147. Божокин С.В. Фракталы и мультифракталы / С.В. Божокин, Д.А. Паршин. -Москва- Ижевск: РХД, 2001.

148. Моделирование процессов в синергетических системах // Сб.статей. — Улан-Удэ Томск: ТГУ, 2002. - 250с.

149. Кривоносова Е.А. Фрактальный анализ структурообразования сварных швов // Сварочное производство. 2005. - №7. - с.3-6.

150. Закирничная М.М. Методика идентификации фуллеренов, выделенных из железо-углеродистых сплавов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2001. - № 8.- С. 22-28.

151. Соснин Н.А., Ермаков С.А., Тополянский П.А. Плазменные технологии. СПб: Изд-во политехи, ун-та, 2008. с. 406.

152. Калита В.И., Комлев Д.И. Плазменные покрытия с нанокристаллической и аморфной структурой. М.: «Лидер М», 2008. с. 388.

153. Ковенский И.М., Поветкин В.В., Венедиктов В.Л. // Известия Академии наук. Металлы. 1992. №5. - с.85-91.

154. Патент РФ № 2338005 Способ комбинированного упрочнения поверхностей деталей.

155. Когаев В.П., Махутов Н.А., ГусенковА.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность: Справочник. — М.: Машиностроение, 1985. -224 с.

156. Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости материалов. М.: Металлургия, 1975. - 456 с.

157. Рачев X., Стефанова С. Справочник по коррозии: Пер. с болг. Нейков-ского С.И.; под. ред. Н.И.Исаева. М.: Мир, 1982. - 520с.

158. TanakaK. A thermomechanical sketch of shape memory effect: one-dimensional tensile behavior//Res. Mechanica. 1986. - Vol. 18. - pp. 251263.

159. Lagoudas D.C., Bo Z., Qidwai M.A. A unified thermodynamic constitutive model for SMA and finite element analysis of active metal matrix composites

160. Mechanics of composite materials and structures . 1996. - Vol. 3. -pp. 153-179.

161. Miiller I. Nitinol ein Metall Mit Gedachtnis //Natur Wissenschaften. 1984. -No. 71.-pp. 507-514.

162. Лихачев В.А., Малинин В.Г. Структурно-аналитическая теория прочности. СПб.: Наука, 1993.-471 с.

163. Шишкин С.В., Махутов Н.А. Экспериментальное определение обобщенной термомеханической диаграммы сплавов с памятью формы при осе-симметричном изгибе // Заводская лаборатория. 1994. - Т. 60, № 2. — С. 39-44.

164. Malygin G.A. Diffuse martensitic transitions and plasticity of crystals with a shape memory effect//Physics-Uspekhi. 2001. - Vol. 44, No. 2. - 173-197.

165. Романов A.H. Разрушение при малоцикловом нагружении. — М.: Наука, 1988.-279 с.

166. Федоров В.В. Термодинамические аспекты прочности и разрушения твердых тел. Ташкент: ФАН, 1979. - 169 с.

167. Бледнова Ж.М. Прогнозирование циклической долговечности бинарных сплавов и материалов с покрытиями //Заводская лаборатория. — 1988. — №7.-С. 76-81.

168. Бледнова Ж.М. Повышение прочности и циклической долговечности изделий комбинированными методами обработки: Автореф. дис. . д-ра техн. наук. Киев, 1989. - 35 с.

169. Коцаньда С. Усталостное разрушение металлов. М.: Металлургия, 1976.-454 с.

170. Алёхин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов. -М.: Наука, 1983.

171. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения. М.: Металлургия, 1984.-280 с.

172. Орлов А.Н. Долговременная прочность и физика разрушения // Тр. ЦКТИ. 1986. № 230. С. 42-46.

173. Бледнова Ж.М. О целесообразности создания сплавов на основе железа с теоретической прочностью // Деп. в черм. информации. — 1985. № 2904854. 18с.

174. Термодинамические свойства неорганических веществ: Справочник. Под ред. А.П. Зефирова. М.: Атомиздат, 1965. — 460 с.

175. Попов JI.E., Конева Н.А., Терешко И.В. Деформационное упрочнение упорядоченных сплавов. М.: Металлургия, 1979. — 255 с.

176. Сосновская JI.A. Статистическая механика усталостного разрушения. -Минск: Наука и техника, 1987. 287 с.

177. Будревич Д.Г., Бледнова Ж.М. Оценка прочности сплавов системы Ti-Ni // Новые материалы и технологии на рубеже веков. Сборник материалов Международной научно-технической конференции. Ч. II. Пенза, 2000. -С. 13-17.

178. Научные основы повышения малоцикловой прочности. Под ред. Н.А. Махутова. М.: Наука, 2006.- 602 с.

179. Choi J.I., Kim J.G. Technical documentation for propeller // Hyundai Heavy Industries technical papers. 2005. - №1629 - pp 1-20.

180. Голованов H.H. Геометрическое моделирование. M.: Физматлит. -2002. - 470 с.

181. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. -М.: Мир. -1991.-504 с.

182. Бударин В.А. Метод расчета движения жидкости. — Одесса: Астропринт. -2006.- 138 с.

183. Бетехтин В.И., Кадомцев А.Г. Эволюция микроскопических трещин и пор в нагруженных твердых телах //ФТТ. 2005. Т. 47. С. 801-807.

184. R.H. Dauskardt, M.R. James, J.R. Porter, and R.O. Ritchie: J. Am. Ceram. Soc., 1992, vol. 75, pp. 759-71.

185. Wangyang N. Recovery of Microindents in a Nickel-Titanium SMA: A "Self-Healing" Effect // N. Wangyang, Y. Cheng, D. Grummon App. Phys. Lett, 80(18), 2002, pp. 3310-3312.

186. Русецкий А.А., Жученко M.M., Дубровин O.B. Судовые движители. JL: Судостроение. — 1971. — 288 с.

187. Rhee S.H., Joshi S. Computational validation for flow around a marine propeller using unstructured mesh based Navier-Stokes solver // JSME International Journal. 2005. - No. 3. - p. 562-570.

188. OCT 5.4050-72. Винты гребные. Методы оценки статической и циклической прочности лопастей и нормы запаса их прочности.

189. Фитисов В.А. и др. Расчет местной прочности лопастей гребных винтов с помощью ЭВМ // Труды НТО СП. 1977.

190. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC visual NASTRAN for Windows. M.: ДМК Пресс, 2004. - 704 с.

191. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: практическое руководство. М.: Едиториал УРСС. - 2003. - 272 с.

192. Басов К.А. ANSYS: справочник пользователя. М.: ДМК Пресс. - 2005. -640 с.

193. Конюхов А.В. Основы анализа конструкций в ANSYS. — КГУ, Казань 2001. 102 с.

194. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах. -М.: Компьютер пресс. 2002. 224 с.

195. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров. М.: Машиностроение. 2004. 512 с.

196. Александров А.В. Основы теории упругости и пластичности. М.: Высш. Школа. - 2002. - 400с.

197. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. — М.: Мир. -1979.-390 с.

198. Бледнова Ж.М., Махутов Н.А, Починков Р.А., Русинов П.О. Технологические методы повышения надежности лопастей гребного винта // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2010. № 1.

199. Deutches patent № 19834305 Al. Offenlegungsschrift. Pfeifer H.-P., Jany P. / Int. CI.7 F16B 2/06. Anmeldetag 30.07.1998.

200. Ni-Ti shape memory alloy heat shrinkable sleeves // В ARC Newsletters. — 2000. -№ 195.-pp. 13-14.

201. Реш. о выдаче по заявке № 2008132286 Российская Федерация, МПК С23С 10/00 (2006.01). Способ закрепления на валу сопрягаемых цилиндрических деталей / Бледнова Ж.М., Русинов П.О. заяв. 4.08.08; опубл. 10.02.2010,-7с.: ил.1.