автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка и исследование защитных покрытий, способов повышения их эксплуатационных характеристик для жаропрочных никелевых сплавов

, л ъ.»

5 КУРСЙИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Джанчатова Наталья Валерьевна

Разработка и исследование заищтных покрытий, способов повышения их эксплуатационных характеристик для жаропрочных никелевых сплавов

Специальность 05.16.01.- металловедение н териическая обработка металлов

Автореферат „ диссертации на соисгошне ученой степени кандидата технических наук

Курск-1996

Работа выполнена в Курском государственном технической университете на кпфедре "Технология металлов и материаловедение".

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, Рыжков Федор Николаевич доктор технических наук, профессор Гадалов Владинир Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Воротников Владинир Яковлевич кандидат технических наук, доцент Петренко Владинир Романович

Ведущее предприятие

Воронежское акционерное авиастроительное общество

Зоддта состоится" {О " уе^аЗА* 1996 г. в на заседании диссертационного совета

14.00 (Д064.50.01)

Курского

государственного технического университета по адресу: 305040, Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

С диссертацией можно ознакоыиться в библиотеке университета.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью

организации, просим высылать по указаанону адресу ученому секретарю

совета.

Автореферат разослан " /О " 1996 года.

Ученый секретарь совета,

доктор техн. наук, профессор Яцун

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Важнейшим иетодоы повышения эффективности производства является увеличение ресурса изделий совершенствованием технологических процессов обработки деталей и узлов специальной техники.

Для работы при высоких температурах, особенно в различных агрессивных газожндких средах, рекомендуются жаропрочные литые сплавы с никельхромовой матрицей или эти же сплавы с защитными покрытиями. Необходимость востребования защитных покрытии в условиях рыночной экономики важна также для восстановления изношенных узлов и изделий специальной техники из литых жаропрочных ннксльхроновых сплавов. Создание материалов с удовлетворительными физико-механическими свойствами при высоких температурах не исключает их склонность к разрушению при эксплуатации в различных условиях. Поэтому, для обеспечения ресурса и надежности спец.изделий требуется изыскание защитных покрытий различных составов- и способов их формирования

Необходимость создания современных газотурбинных и воздухо-турбинных двигателей с высокими рабочими параметрами, требование увеличения их ресурса, надежности, применение малонасыщенных топлив в силовых установках обуславливают проведение соответствующих иеталлофизических исследований и 'разработку принципиально новых составов и методов защиты лопаток турбин от окисления и коррозия при высоких температурах.

Качественный скачок в этой области бил сделан благодаря разработке ряда многокомпонентных покрытий на основе викеля с высоким содержанием хрома и алюминия с возможными микродобавками, полученных методами электроискрового легирования, плазменного напыления, лазерной обработки и др.

В этой связи, актуальной задачей современного энергомашиностроения является разработка и исследование вида, технологии нанесения защитных покрытий, работоспособных в условиях высокотемпературного окисления и коррозии, что позволит их использовать для повышения надежности и долговечности конструкционных деталей.

Целью работы явилась разработка и изучение защитных покрытий для литейных жаропрочных никельхромовых сплавов, способов повышения их эксплуатационных характеристик на основе совершенствования электроискрового легирования и комбинированного упрочнения поверхностного слоя.

- з -

Для достижения поставленной вели необходимо было решить следующие задачи:

• разработай технологию электроискрового легирования литых жаропрочных никельхроновых сплавов с использованием комбинированной обработки;

- исследовать структуру , фазовый состав и физико-неханические свойства основного натериала (сплава ЖСбУс добавками Ш" и Бу, высокохроиистого сплава типа ХН58МТЮ) и многокомпонентных покрытий из аналогичных материалов, полученных различными способами;

• исследовать влияние параметров комбинированного упрочнения поверхностей электроискровым легированием, плазменным напылением в сочетании с лазерным упрочнением, алмазным выглаживанием и термической обработкой;

• изучить физическое состояние поверхностного слоя после различных способов нанесения покрытий;

- исследовать и оптимизировать эксплуатационные характеристики образцов и изделий с покрытиями полученными по разработанной технологии;

• выдать рекомендации и апробировать предлагаемые композиции в производственных условиях.

Научная новизна. В результате разработанного технологического процесса получения защитных покрытий из литых никельхроновых сплавов представилось реализовать не только желанный химический состав, но и заданную при электроискровом легировании структуру, оптимизирующую комплекс свойств, потенциально заложенных химическим составом легирующего электрода, что позволило при решении поставленных задач получить следующие научные результаты :

1. Впервые подробно исследованы структура, фазовый состав, физико-механические свойства композиционных покрытий и установлено их влияние на эксплуатационные характеристики.

2. Установлена возможность управления элементный составом легированного слоя путей многослойного легирования электродами из материалов различной природы (сплава ЖСбУ с добавками Ш" и Бу, высокохромистого сплава типа ХН58МТЮ), выбор которых производится с учетом эксплуатационных свойств напыляемых деталей и принципов металлургической совместимости с материалами подложки.

3. Технологические возможности электроискрового легирования и плазменного напыления могут быть существенно расширены использованием комбинированной обработки, основанной на

последующей лазерном облучении, термической обработке и алмазной выглаживании композиционного материала.

4. Исследования внутреннего трения композиционных материалов - сплава ЖС6У с покрытием (ЖСбУ с добавками H£Dy; ХН58МТЮ)

5. Данные по влиянию режимов электроискрового легирования, плазменного напыления, комбинированной обработки на ряд эксплуатационных свойств, результаты по влиянию обработки на свойства композитов.

Практическая ценность работы заключается в разработке, новой технологии получения комбинированных покрытий на никельхромовых сплавах с регулируемыми эксплутационными свойствами. Результаты работы апробированы и внедрены на АПЗ-20 г. Курска для повышения срока службы деталей специального назначения с годовым экононнческпы эффектом более 200 тыс. руб. в ценах 1990 г.

Апробация работы: Основные положения диссертации и ее отдельные результаты были доложены и обсуждены в период 1994-1996 г.г. на научно-технической конференции "Материалы и упрочняющие технологии • 94", г. Курск - 1994 г., на Российской научно-технической конференции "Новые материалы в технологии", г. Москва - 1994,1995 г.г., "Вибрационные машины н технологии", г. Курск - 1995г.

Публикации : По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Обьем работы: Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методики эксперимента, экспериментальной части, выводов. Работа представлена на страницах, содержит /¿1 рисунков, использовано литературных источников /S2,

Основное содержание работы

Во введении дается обосповапие актуальности темы исследования, сформулирована цель работы

В первой главе дан обзор литературных данных по литейпын жаропрочным никельхромовым сплавам. Кратко рассмотрены вопросы легирования и микролегирования этих материалов. Освещено современное состояние работ по применению защитных покрытий для никелевых сплавов. Описаны основные методы их получения. Рассмотрены особенности структуры различных покрытий, их фнзпхо-неханнческве и антикоррозионные свойства, совместимость с защищаемыми сплаванк. Представлены сведения по влиянию лазерной обработки на структуру, состав и свойства защитных покрытий, ил жаропрочных никельхромовых сплавов. Описаны свойства и эксплуатационные характеристика ряда покрытий, нашедших широкое применение для .защиты лопаток газовых турбин.

Рассмотрены физико-химические основы электроискрового легирования. Дан анализ электроискрового метода поверхностного упрочнения, в частности, наиболее подробно рассмотрены свойства, недостатки и преимущества электроискрового напыления.

Проанализированы причины, сдерживающие широкое применение в промышленности жаро- и коррозионностойккх покрытий, получаемых электроискровым способом.

Заканчивается глава постановкой задач исследования.

Во второй главе описаны материалы и методики исследования. Материалом исследований служили жаропрочные литейные сложнолегированные сплавы на никельхромовой основе типа ЖС6У с добавками НГ и Оу, высокохромистого сплава типа ХН58МТЮ. Сплавы были выплавлены в вахуумно-индукционной печи марки ОКБ 694 с последующим переплавом на порционных печах. Химические составы выплавленных сплавов (% по массе) приведены в таблице 1.

Химические составы выплавленных сплавов

таблица 1

№ марка сплава С Сг Мо N Со А1 •п М> Ее др. эл-ты оу №

1 ЖС6У 0,19 9.0 1,8 10,5 10,0 5,5 2.5 1.1 0,8 0,02 Се 0,005 в 0,02 у ост

2 ЖС6У добавь 1)у вШ 0,19с 9,0 1,8 10,5 10,0 5.5 2,5 1,1 0,02 Сс 0,005 в 0,02 г 0,5 0,3 ост

3 ХН58 МТЮ 0,06 32 5,1 3.2 2,7 0,02 Се 0,005 в ост

Покрытия наносились электроискровым способом (установка ЭЛФА-541), плазменным способом (установка УПУ-ЗД), поверхностная обработка основного материала и покрытия осуществлялась на технологической установке "Квант - 16" . Выглаживание выполнялось пружинными держалками различной жесткости. Инструментом для него служили наконечники (выглаживатели) из природных н синтетических алмазов (АСПК-З, АСПК-5) алмазов с радиусом рабочей части Ясф = 0,5...4,00 х10 "3 м.

Изложены качественные и количественные методы оценхи параметров структуры, фазового состава, физико-механических свойств и служебных характеристик сплавов с покрытиями.

Исследование структуры , фазового состава сплавов н покрытий, переходной зоны и изломов композиционных сплавов проводили методами световой и количественной металлографии (микроскопы МИМ-8, автоматический анализатор структуры " Эпиквант " ), растровой и просвечивающей электронной микроскопии (микроскопы РЭМ-200, ЭМВ-100Б и т.п.), рентгеноструктурного (УРС-50 ИМ, ДРОН-2), мнкрорентгеноспектраль- ного (MAP - 2, Самека). На изготовленных нетравленных шлифах измерялась иикротвердость поверхностных слоев на приборе ПМТ-3. С целью увеличения достоверности результатов измерений на каждом образце были созданы поля измерений , состоящие из нескольких рядов отпечатков.

Проводились комплексные исследования физико-механических, жаро-и коррозионностойкнх свойств согласно действующих ГОСТ. Фазовые и внутрифазовые превращения в сплавах и композитах изучались методами внутреннего трения, электросопротивления и теплоемкости.

Прочность сцепления напыленных покрытий с основой определяли по штифтовой методике.

Дополнительные сведения о методиках исследований содержатся в соответствующих разделах диссертации.

Оптимизация режимов нанесения покрытий выполнены с использованием ЭВМ, достоверность полученных результатов обоснована методами статистической обработки.

В третьей главе первой ее части представлены экспериментальные сведения по жаропрочному литейному сплаву ЖС6У и сплава-аналога с добавками 0,5% Hf и 0,3% Dy. Представлены данные по их макроструктуре и микроструктуре, фазовому анализу, физико-механическим свойствам.

По сравнению с исходным сплавом, в легированном размер зерна приблизительно в 1,5 раза меньше и составляет 21,9х10"5 м. При этом устраняется разнозеринстость и в 1,4 - 1,6 раза уменьшается величина дендритных ячеек. Введение гафния и диспрозия значительно уменьшает ликвацию основных легирующих элемептов , что способствует более равномерному распределению интерметаллидной у' - фазы N¡3 (Al, Ti, Nb) в приграничных объемах. Внутри зерна форма частиц у' - фазы в основном кубическая, в ликвационных зонах у ' - фаза может выделяться в виде пластин неправильной форме и возможны смешанные структуры. Установлено, что в сплаве с добавками Hf и Dy существенно изменялась форма н характер распределения карбидов по сравнению с исходным сплавом. В сплаве с исходным составом карбиды располагаются колониями. Форма карбидов в основном нитеобразная. В присутствии Hf n Dy карбиды имеют округлую форму и распределены равномерно. Дисперсность карбидных фаз в легированном сплаве выше, чем в исходном. Введение добавок изменяет состав и морфологию как карбидных фаз, так и эвтектики

в целом, что в конечном итоге повышает жаропрочность сплава

- ?-

Длительная прочность сплава ЖСбУ с добавками при температуре 1053 К в несколько раз больше, чем исходного. Предварительные исследования подтвердили предположение повышения жаро- и коррозионной стойкости легированного сплава

Приведены исследования высокотемпературной ползучести и рассмотрены некоторые особенности разрушения сплавов в данных условиях. Показано, что в условиях высокотемпературной ползучести предпочтительными местами зарождения микротрешин в исследуемых сплавах является первичная у' - фаза ( в особенности эвтектические глобули у - у') и охрупчивающая о- фаза. Рассмотрены механизмы образования микро- и макротрещин. Теоретически показано, что на клиновидном включении концентрация напряжений значительно больше чем на шаровидном, это предопределяет торможение развития трещины на карбидных включениях близких к шаровидной форме. Установлено, что разрушение образца сплава имеет квазихрупкий характер без явных следов пластической деформации. Удлинение образна на стадии ползучести происходит за счет раскрытия трешин в две стадии. На начальной стадии (мгновенная и начальная стадия неустановившейся ползучести) происходит зарождение микротрешин, затем на установившейся (для высоких температур и напряжений на неустановившейся стадии) идет развитие трещин до полного разрушения.

Во второй части данной главы приведены аналогичные комплексные неталлофизнческие исследования высокохроыистого сплава ХН58МТЮ.

Показано, что основа сплава - никельхромовая матрица-характеризуется аномальным поведением ряда физических свойств, в частности, электросопротивления и теплоемкости. Благодаря этим аноналиян, изучаемый сплав относится к категории материалов, в которых проявляется к-эффект. Предложен механизм, позволяющий более последовательно объяснять природу низкотемпературного превращения в нихромах:

а) к-эффект - образование флуктацнонных областей дальнего порядка, которым присуще появление доли ковалентной связи;

б) разрушение этого состояния происходит путем образования доменов сверхструктуры при соприкосновении флуктацнонных областей дальнего порядка.

Исследование сплавав целом показали, что основными составляющими микроструктуры исследуемого сплава является у - твердый раствор на никелевой основе, у' - фаза на основе №3(А1, "Л), фаза (а - €г), эвтектики у -фаза (а - Сг) - карбидов Сг33С( и "ПС. В сплаве значительна дендритная ликвация по основным легирующим элементам "Л, А1, Мо. Сг, которая частично устраняется гомогенизирующим отжигом при 1473 К (3-5 час.). Крупные первичные выделения (а - Сг) фазы и карбиды Сг^Св размером

10-20x10' м выделяются преимущественно в межосевых дентрнтных

- ¿-

пространствах, в окружении эвтектических колоний и по границам зерен. Высокодисперсная у' - фаза размером 50-100x10"' и распределяется в эвтектических колониях между пластинами ( а-Сг) фазы

Эвтектика у - (а - Сг) метастабпльна и полностью растворяется в процессе гомогенизирующего отжига вместе с выделениями неравновесной (а - Сг) фазы. Исследовано влияние скорости охлаждения в процессе кристаллизации. Ее изменение в интервалах 1800 до 973 К, от 0,05 до 2 К/с резко измельчает дентритную структуру , уменьшая размер первичных выделений равновесной (а - Сг) фазы до 3-5 х 10'4 м. Эвтектика у -(а - Сг) при такой скорости охлаждения не обнаружена. После закалки в воду в сплаве также наблюдались первичные выделения равновесной (а - Сг) фазы. Для предотвращения распада твердого раствора необходимы более высокие скорости охлаждения.

Представлены сведения по влиянию различных режимов термической обработки, состоящей из операций гомогепизации, закалки, обработки на атомное упорядочение и старення, на структуру и механические свойства сплава. Проведена оценка склонности сплава к межкристаллитной коррозии, представлены результаты испытаний на жаростойкость.

Сравнепие результатов структурных исследований с анализом характера разрушения , с данными физико-механических испытаний показало, что потеря пластичности сплава идет за счет влияния первичной (а - Сг) фазы и карбидов хрома. При этом разрушение происходит преимущественно по межосным зонам деитритов. Одним из практических способов спижения охрупчивающего влияния первичных фаз является переход к способам кристаллизации с высокими скоростями охлаждения ( получение сплавов в виде электроискровых, плазменных и др. покрытий, лазерная обработка).

Вышеуказанные материалы на основании исследований рекомендуются в качестве защитных покрытий на спец.изделиях из жаропрочных литейных сплавов на никельхромовой основе.

Четвертая глава. В развитии общей структурно-логической схемы работы и решения отмеченных выше задач нами были изучены различные технологии поверхностной обработки. Кинетику электроискрового легирования электродом квадратного сечения 1x1 х10° м из сплава ЖСбУ с добавками Ш" н Оу исследовали методом взвешивания электрода. Шероховатость поверхности Я, измеряли на приборе "Калибр 201". По отношению привеса образца к величине потери веса при эрозии находили коэффициент использования электрода. Данные, полученные при исследовании трех образцов, обработанных прн одном режиме, усреднялись для построения графиков и таблиц привесов детали, потери веса при эрозии электрода, коэффициента переноса материала и шероховатости покрытия от основных энергетических параметров обработки:

~3-

I - сила тока; С - емкость разряда; (р - частота импульсов.

Экспериментально установлены оптимальные режимы напыления для каждого фактора, влияющего на процесс нанесения покрытия.

На основании полученных экспериментальных данных и технологических характеристик установки "ЭЛФА-541" был проведен полный факторный эксперимент 2 4.

В результате проведенного математического моделирования эксперимента была получена математическая модель процесса электроискрового нанесения покрытий и проверена ее адекватность.

Проведен анализ математической модели процесса напыления.

В качестве оптимизированной технологии ЭИП для покрытия высокохромистого сплава рекомендован следующий режим : емкость разряда С = 0,22 мкФ.; сила тока I = 9,6 А ; частота следования импульсов Ф = 66-67 кГц; длительность импульса Т; = 20 икс; число проходов п = 4 ; частота вращения шпинделя (электрода) т| = 890 об \ мин.

Экспериментальное исследование увеличения . переноса материала легирующего электрода ( сплав ЖС6У с добавками НГ и Бу) на упрочняемую поверхность исходного сплава ЖСбУ показали, что ни в одном, вз опытов ае наблюдается такое восстановление, чтобы обеспечивалось превышение уровнем впадпн легированной поверхности уровня исходной , включая оптимальный режим. При этом величина, расстояние между средними линиями исходного профиля и профиля после легирования, измеренное по профиллограммам - ДЬ = 1,8x10 '6м.

Оценка прочности легированного слоя производилась по величине нормальной нагрузки, вызывающей разрушение покрытия при скольжении сферического алмазного индентора. Разрушение упрочненного слоя фиксировалось по сколам и трещинам на краях капаски, образованной при скольжении индентора и наблюдаемых в микроскоп. Как показали сравнительные испытания, упрочнение поверхности незначительно. В отдельных случаях наблюдалось снижение микротвердостн.

Выше было показано, что возможности электроискрового легирования в плане обеспечения требуемой условиями эксплуатации шероховатости ограничен. Существует и ограничение легированных слоев по толщине, что сужает возможности восстановления изношенных деталей. В тоже время преимущества ЭИЛ, обусловленные возможностью влиять на состояние поверхностного слоя, делают необходимым проведение исследований в направлении отделочной обработки, в частности, алмазного выглаживания.

Изучены вопросы финишной обработки поверхностей после электроискрового легирования алмазным выглаживанием с наведенными остаточными напряжениями сжатия. Исследовано влияние силы выглаживавия на шероховатость (Л, ) и микротвердость (Н^ ) разных покрытий. Установлено, что шероховатость уменьшается с увеличением силы выглаживавия . Снижение Я, наблюдается после выглаживания

-/О-

покрытий с меньшей Нц. Шероховатость после выглаживания природным алмазом ниже шероховатости после выглаживания синтетическим. Имеют место два вида зависимостей микротвердости поверхности от силы выглаживания: монотонное возрастание Н^ вследствие пластической деформации, приводящие к упрочнению; снижение Н^ , обусловленное выдавливанием материала подложки, его перемешиванием с покрытием. Минимальная шероховатость после оптимального режима алмазного выглаживания составляла 0,5-0.6x10"° м. Такое покрытие обладает достаточной пластичностью и выглаживаемостью.

Далее в работе представлены исследования композиционного материала полученного плазменным напылением. Эксплуатационные характеристики - адгезионная прочность и износостойкость были выбрапы вероятно-статистическим методом планирования экстремальных экспериментов путем парных сравнений при априорном ранжировании. В связи с тем, что технология напыления покрытий является многофакторпым процессом, для выбора основных факторов, влияющих па износостойкость и адгезионную прочность, также использовали метод априорного ранжирования посредством анкетирования путем опроса пяти специалистов. При этом каждому фактору присваивался соответствующий ранг. По результатам опроса построены две таблицы. Во второй таблице оценка важности фактора дается в виде "связапных рангов". Проверка .проведенная сравнением итогозых ранжировок факторов, полученных в обеих таблицах, подтвердила их адекватность.

В работе изучена возможность использования в качестве покрытия многокомпонентного литого никельхромового сплава с высоким содержанием хрома

Напыление проводилось на серийной установке УПУ - ЗД, в качестве материала подложки использован жаропрочный сплав ЖСбУ.

После напыления ряд образцов проходил термообработку с целью повышепия адгезионных и износостойких свойств покрытия. При оптимизации режимов напыления и термообработки покрытия использовали вероятно-статистический метод планирования эксперимента

Был реализован дробный четырехфакторный эксперимент с полурепликой 2 4-1 и определяющим контрастом 1 = X1X2X3X4.

В качестве факторов оптимизации были выбраны сила тока плазмотрона, дистанция напыления, содержание хрома в сплаве покрытия , время выдержки при термообработке. Температура термообработки была постоянпа

Поскольку между износостойкостью покрытия и адгезионной прочностью довольно трудно установить корреляционную связь, не говоря уже о функциональной связи, то в качестве параметров оптимизации исследовали одновременно износостойкость и адгезионную прочность.

Составлена матрица планирования.

-//-

После проверки статистической значимости коэффициентов моделей, уравнения регрессии для износостойкости и адгезионной прочности имели вид:

Проверка адекватности этих моделей показала, что при 1% -ном уровне значимости уравнения (1) и (2) достаточно достоверно описывают исследуемые величины в пределах варьирования факторов.

Экспериментальные значения параметров оптимизации определялись методом крутого восхождения.

Таким образом, по данным регрессионного анализа оптимальным режимом напыления сплава с содержанием хрома 29-32 вес.% является следующий режим: сила тока 400-420 А, дистанция 0,1-0,11 м, время выдержки при термообработке 20-30 часов. Повышение содержания хрома в указанных пределах увеличивает износостойкость и не оказывает отрицательного влияния на адгезионную прочность.

Оценка склонности к межкристаллитной коррозии проводилась электрохимическим ^методом с использованием электролита: 10'2 кг ГКН4)304, 10'2 кг лимонной кислоты, 1л Н20 и потенциостата П-5848. По Больтамперньш характеристикам сплавов определялись основные параметры процесса коррозии -потенциал коррозии, ток коррозии, ширина плато.

Жаростойкость сплавов и покрытий оценивалась по методу увеличения массы на образцах типа К10 при температурах 1273 - 1373 К в течении 100 часов в среде воздуха. Электроискровое легирование основы (ЖС6У) сплавом-аналогом с добавками сопровождается повышением его жаростойкости в 1,5 раза , коррозионные характеристики изменяются незначительно.

В связи с развитием лазерной технологии значительно возрос интерес к изучению влияния лазерного луча на свойства материалов и покрытий.

При обработке лазером образцов плазменно-напыленных покрытий, обнаружены характерные для литейных сплавов морфологические изменения структуры, обусловленные высокими скоростями охлаждения расплавляемых микрообьемов, что приводит к формированию мелкокристаллических покрытий. Покрытия характеризуются высокой прочностью и хорошей адгезией к подложке при перпендикулярном направлелии лазерного излучения. В зависимости от плотности энергии и длительности импульса, падающего на объект лазерного излучения, глубина проплавления покрытия в основу изменяется в пределах (5-14)х10"'м,и, вследствие конвективного перемешивания , меняется локальный

У 1=2,39-0,54Х Г0,31Х2

У3=8,88-Ю,15Х , + 0,50 X 2 + 1,53 X 3 - 0,37 X 4

(1) (2)

-/г-

химический и фазовый состав формирующихся покрытий. Независимо от режима обработки четко фиксируется зона лазерного влияния (ЗЛВ) с переменной микротвердостью, располагающаяся под участками переплавляемого металла. Металлографические исследования подтверждают положительное влияние лазерной обработки на когезпонные свойства плазменнонапыленных покрытий, так в ЗЛВ практически отсутствуют поры, трещины, отслоения, инициирующие пониженную прочность сцепления. Лазерное оплавление приводит к измельчению всех структурных составляющих, включая первичные карбиды МеС, у + у' -эвтектику и у - матрицу. Содержащаяся в сплаве ЖСбУ <т - фаза исчезает н пе выделяется даже после отжига при высокой температуре в течении 200 час. Под воздействием лазерного пучка в этой зоне происходит растворение у' - фазы . Старение композита при 983 К, 10 ч. приводит к выделению в ЗЛВ частиц у' - фазы и их росту , что характерно для всех исследованных материалов. Для предотвращения роста упрочняющей у ' - фазы после лазерной обработки, с целью получения стабильной, мелкодисперсной структуры, проводилось двухступенчатое старепне, предусматривающее обработку на атомное упорядочение на низкотемпературной ступени. Указанная термообработка обеспечивает повышенный уровень механических свойств плазменных покрытий после лазерного облучения, так предел прочности покрытия при изгибе в результате оплавления увеличивается в 1,5 -1,8 раза

Таким образом, предлагается два вида лазерной обработки (ЛО) поверхности покрытий:

1 - упрочняющая дополнительная обработка без расплавления композита;

2 - обработка с плавлением поверхностного слоя.

Первый вид ЛО представляет собой лазерный нагрев поверхностного слоя и быстрое охлаждение за счет большой массы композита с образованием в поверхностном объеме пересыщенного твердого раствора. Последующая двухступенчатая термообработка (НС + ВС),_ где низкотемпературная ступень соответствует 793 + 20 К, а ВС - 983 + 10К соответственно, приводит к равномерному пространственному выпадению как у' - фазы, так и фазы на основе а - Сг. Удельная энергия ЛО при этом должна быть 104 - 10° Вт/см2, глубина слоя колеблется от 0,6 до 1,4 х 10'3 м. Второй вид ЛО требует удельной энергии до 10° - Ю10 ВТ/смг, глубина переплава до 0,5 - 0,7 х 10 '3 м.

Структурные превращения в зоне лазерного воздействия сопровождаются существенным упрочнением поверхности. Микротвердость облученных покрытий возрастает в сравнении со свойствами необработанных покрытий в 1,4 - 1,7 раза и достигает значений 20000 МПа. Микротвердость зависит от режимов обработки, изменение

-1Ъ~

которой обусловлено получением новых составов покрытий и их морфологией.

Проведенные исследования показали возможность управления природой и морфологией выделения образующихся при лазерной обработке упрочняющихся износостойких фаз.

Хорошая адгезия обусловлена формированием прочных связей между покрытием и подложкой под действием лазерного излучения.

Таким образом, в процессе облучения импульсами лазера поверхности образцов из жаропрочных никелевых сплавов, полученных литьем и плазменным напылением , происходит образование расплавленной зоны, которая по прекращению воздействия лазера быстро охлаждается за счет хорошего теплового контакта с нерасплавленным материалом. Указанная технология позволяет достигнуть достаточных скоростей для получения структуры с параметрами , обеспечивающими заданный комплекс механических свойств и служебных характеристик поверхностных слоев жаропрочных литых никелевых сплавов.

Результаты сравнительных исследований эксплуатационных характеристик - жаростойкости и сопротивления изнашивания покрытий на никельхромовой основе до и после лазерной обработки показали высокую ее эффективность.

Ресурсные испытания специальных деталей с покрытиями в производственных условиях доказали, что применение лазерной обработки увеличивает их стойкость в 2-2,5 раза по сравнению с необработанным

состоянием.

Общеизвестны возможности метода внутреннего трения (ВТ) для опенки состояния металлов и сплавов. В работе изучена температурная и амплитудная зависимость ВТ защитных покрытий. Дано обьясненне об н ар уже иным аномалиям затухания . Согласно действующей методике расчета высокотемпературного фона ВТ (ВТФВТ) (ГСССДМР 47-88-М, 1988 г.) проведен расчет ВТФВТ защитных покрытий после различных режимов электроискрового легирования, плазменного напыления, лазерной и термической обработки. По данным внутреннего трения сделана сравнительная оценка стабильности структурного состояния защитных покрытий по сравнению с исходной основой. Оценка проводилась по положению ВТФВТ, высота зерпограничного пика (Нп) , по температуре пика Т1ИХ , энергии активации зериограничпой релаксации Е , по tg а, определяемого при исследовании амплитудной зависимости ВТ.

1оа=ДСГ'/Д£ пропорционален энергии, рассеиваемой при движении дислокаций. Исследованиями установлено положительное влияние защитных покрытий, лазерной и термической обработки на стабильность

структурного состояния поверхностных слоев композитов.

-

Сопоставление данных по ВТ с анализом характера разрушения, механических и эксплуатационных свойств, позволяют сделать выводы, что вышеуказанные характеристики ВТ могут служить критериями работоспособности при определенных внешних условиях.

Положение ВТФВТ, параметры зернограничного пика, (о а в совокупности представляют комплексный критерий жаростойкости и жаропрочности.

ВЫВОДЫ

- Проведены комплексные металлофизнческие исследования литейных жаропрочных сплавов ЖС6У с добавками НГ и Бу и высокохромистого литейного сплава ХН58МТЮ. Изучена их структура и фазовый состав, а также способы их термообработки, основанные на использовании атомного упорядочения, протекающего в сплавах.

Проведены исследования высокотемпературной ползучести в сплава ЖС6У и его аналога с добавками. Рассмотрены механизмы образования микро- и иакротрещян. Теоретически показано, что на клиновидном включении концентрация напряжений больше, чем на шаровидном, что предопределяет торможение развития трещины на карбидных включениях близких к шаровидной форме.

Изучены физико-механические свойства высокохромистых сплавов. Предложен механизм, объясняющий природу явлений, ответственных за аномальное поведение электросопротивления , других свойств при низкотемпературном превращений нихромов и сплавов на их основе.

Показана возможность применения этих сплавов для защитных покрытий из жаропрочных литых сплавов на никелевой основе.

- Разработана технология электроискрового легирования, включающая выбор материала электрода для ЗИЛ (жаропрочный лвтейпый сплав ЖС6У с добавками 0,3% НГ и 0,5% Бу по массе), обеспечивающая на оптимизированных режимах повышение эксплуатационных характеристик защитных покрытий из этих материалов.

В качестве финишной обработки электроискровых покрытий с целью обеспечения требуемой условиями эксплуатации шероховатости рекомендуется алмазное выглаживание с оптимальным режимом, обеспечивающим шероховатость на уровне 0,4 -0,6 х 10 -< м.

Технологические возможности электроискрового легирования могут быть расширены использованием комбинированной обработки, основанной на последующем лазерном облучении композита, и его термообработки. После соответствующей обработки по рекомендуемым режимам эксплуатационные свойства композита повышаются в 1,5 - 2 раза

- Защитные свойства покрытия зависят от фазового состава, сплошности и адгезии образующихся на их поверхности оксидных пленок, а также от химического сплава-подложки ( например, от содержания гафния и диспрозия), способа нанесения покрытия, наличия и распределения оксидов в покрытии, полученных электроискровым и плазменным напылением.

Показано, что фазовый состав и микроструктура покрытий определяется свойствами исходных материалов, а также способами и режимами их нанесения.

Рассмотрено влияние состава и структуры сформированных в процессе электроискрового, плазменного напыления многокомпонентных композиционных покрытий на эксплуатационные свойства материала

- Разработана технология процесса получения плазменных покрытий из высокохромистых никелевых сплавов на сплавы ЖСбУ. Показано, что технологический режим контролируется силой тока плазмотрона, дистанцией напыления, температурой подложки, продолжительностью процессов напыления и последующей термообработкой композита На оптимизированных режимах получаемые покрытия толщиной 0,15-0,25 х 10 3 м обладают достаточной адгезионной стойкостью, необходимой для их эксплуатации.

Лазерная обработка положительно влияет на сцепление электроискровых и плазменно-напыленных покрытий с основой : на всех исследованных образцах отсутствуют поры, трещины, отслоения; образуется прочная химическая связь между матрицей и сформированным покрытием. Морфологические изменения структуры покрытий обусловлены высокими скоростями охлаждения расплавляемых микрообьемов, что позволяет получить мелкокристаллические покрытия с различной степенью дисперсности упрочняющих фаз.

Исследования показали, что в зависим гсти от вводимой мощности лазерного воздействия изменяются глубина уроплавления, химический и фазовый составы получающихся покрытий. Таким образом, варьируя режимами, можно управлять природой выделяющихся упрочняющихся фаз.

Изменение микротвердости обусловлено изменением степени легирования образующихся твердых растворов, фазового и химического составов, а также формированием мелкокристаллических структур с диспергированными упрочняющими фазами, легированностью и текстурированием матрицы. Поэтому представляется возможность рекомендовать необходимые режимы последующей лазерной обработки электроискровых и плазменно-напыленных покрытий. Покрытия, оплавленные лучом лазера , обладают большей коррозионной стойкостью по сравнению с исходными.

-/В -

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Гадалов В.Н., Джанчатова Н.В. Новые возможности электроискровой и электроакустической обработки металлических материалов // Новые материалы и технологии : Тез. яокл. Российской научно-технической конф. Направление: "Композиционные, керамические, порошковые материалы и покрытия". (Москва. 3-4 ноября 1994 г.) - МГАТУ. М., 1994. -С. 144.

2. Гадалов В.Н., Джанчатова Н.В., Чернышова Е.А. К вопросу о природе низкотемпературного превращения в ннкельхроиовых сплавах // Материалы и упрочняющие технологии - 94: Тез. и материалы докл. Российской науч.- техн. конф. (Курск. 15-17 ноября 1994 г.) - Курск,

1994. - С.54-61.

3. Влияние формы и размеров включений вторичных фаз на напряженное состояние сплавов на никельхромовой основе / В.Н. Гадалов, A.C. Бойцова. Н.В. Джанчатова и др. // Вибрационные машины и технологии. - Курск, 1995. С. 95-99.

4. Гадалов В.Н., Джанчатова Н.В. Исследование температурной зависимости внутреннего трения сложнолегнрованных никелевых сплавов // Новые материалы и технологии: Тезисы докл. Российской науч.-техн. конф. Направление : "Металлические материалы, методы и технологии их обработки" . (Москва: 21-22 ноября 1995 г.) - МГАТУ. М.,

1995. - С.43

5. Влияние лазерной обработки на структуру, состав и свойства литейных сплавов и плазменно-напыленных покрытий сложнолегированной • системы никель-хром / В.Н. Гадалов, A.C. Бойцова, Н.В. Джанчатова и др. // Известия КГПУ. - Курск, 1996. - С. 40-53.

Подписало к печати 31.10.96. Формат 60 x 84 1/16. Печатных листов 1,13 .Тираж 70 экз. Заказ ¡54. Курский государственный технический университет. 305040 Курск, ул. 50 лет Октября ,94.