CC BY
40
УДК 669.017
СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЁВ ПРИ ПЛАЗМЕННОМ НАПЫЛЕНИИ NiAl
© 2009 г. Ж.М. Бледнова, П.О. Русинов
Кубанский государственный технологический Kuban State Technological
университет, г. Краснодар University, Krasnodar
Рассмотрен комбинированный метод формирования наноструктурированных поверхностных слоев из материала с ЭПФ NiAl, включающий плазменное напыление механически активированного порошка и последующую термомеханическую обработку. Установлены управляющие параметры и рекомендованы оптимальные режимы обработки, обеспечивающие формирование наноструктурированного поверхностного слоя с ЭПФ.
Ключевые слова: память формы; никелид алюминия; плазменная наплавка; плазматрон; термомеханическая обработка; температура превращения; отжиг.
The combined method of formation nanostructure blankets from a material with SME (shape memory effect) NiAl, including a plasma dusting of mechanically activated powder and the subsequent thermomechanical processing is considered. Operating parameters are established and the optimum modes ofprocessing providing formation nanostructure of a blanket with SME are recommended.
Keywords: memory of the form; nikel the а1иттшт; plasma facing; plasma generator; thermomechanical processing; transformation temperature; annealing.
Введение
Широкие возможности материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ) успешно реализуются в современных агрегатах и конструкциях. В качестве одного из направлений прикладных разработок в области производства полуфабрикатов и технологий, использующих сплавы с ЭПФ, является создание на их основе разъемных соединений и деталей [1]. За счет силовых эффектов генерации и релаксации напряжений поверхностно-модифицированного слоя из сплава с термомеханической памятью, который составляет лишь незначительную долю общей массы, могут быть обеспечены новые функциональные возможности деталей и элементов конструкций.
Широко известен интерметаллид на основе нике-лида алюминия №А1, обладающий высокотемпературным эффектом памяти формы (температуры мар-тенситных превращений у сплавов с ЭПФ №А1 могут достигать 1000 К) и отличающийся образованием нескольких вариантов мартенсита с различной структурой [2]. Мартенситное превращение в сплавах №А1 проявляется при содержании никеля свыше 60 ат.%. Данное мартенситное превращение характеризуется полнотой и высокой обратимостью наведённой деформации, небольшим температурным гистерезисом, эффектом памяти формы и сверхупругости [4-13].
Целью настоящей работы является исследование возможностей конструирования структуры поверхностных слоев из сплавов системы никель-алюминий с помощью плазменного напыления механически активированного порошка для обеспечения функционально-механических свойств и создания экономичных
функциональных материалов и деталей на этой основе; а также влияния процессов последующей обработки, включающей термическую обработку и поверхностно-пластическое деформирование, на свойства обратимой деформации поверхностно модифицированного слоя из сплава с ЭПФ.
Методика эксперимента
Формирование поверхностных слоев с памятью формы осуществлялось нанесением массивных слоев №А1 на сталь 45. При этом использовалась технология плазменной наплавки механически активированного порошка марки ПН80Ю20. Наплавку №А1 осуществляли на цилиндрические (0 10 мм, сталь 45) образцы, общая толщина слоя варьировалась в пределах 1 мм.
Рентгенофазовый анализ проводили на дифракто-метре Shimadzu ХЯС - 7000 в Си-Ка излучении (^=1,54051) с №-фильтром. Химический анализ материала сталь-сплав №А1 осуществляли оптико-эмиссионным анализатором металлов и сплавов Arcmet 8000. На растровом электронном микроскопе сверхвысокого разрешения JSM-7500F исследовали структуру и химический анализ сплава №А1 Испарение и нагревание анализируемого образа осуществлялось с помощью дуговых и искровых разрядов, затем производилась расшифровка спектров и оценка интенсивности спектральных линий соответствующих элементов.
Многоцикловые усталостные испытания цилиндрических образцов из стали 45 проводились на установке МУИ-6000. Количественная оценка износостойкости производилась гравиметрическим методом с помощью аналитических весов WA-33.
Порошок №А1 для плазменной наплавки механически активировали в высокоскоростной планетарной шаровой мельнице (аттриторе), со стальным барабаном (мешалкой) и стальными шарами 0 6 мм. Скорость вращения мешалки составляла 900 мин-1, отношение массы шаров к массе загрузки порошка составляло 20:1.
При механоактивации порошка ПН80Ю20 происходит его дробление и пластическое деформирование. Частицы порошка ПН80Ю20 после механоактивации представляют собой плоские диски размером от 1 до 10 мкм (рис. 1).
Результаты исследований и их обсуждение
Плазменная наплавка осуществлялась на модернизированной универсальной плазменной установке УПУ-3Д, плазмообразующим газом являлась аргон-азотная смесь с концентрацией азота 10-20 %. Поверхностные слои №А1 поэтапно подвергались полному термомеханическому циклу (ТМЦ) обработки, включающему механическую, термическую и комбинированную термомеханическую обработки (ТМО). На рис. 2 представлены результаты эксперимента по оценке влияния параметров плазменного напыления на качество покрытия, обработанное в программе Statistica 6.0.
Рис. 1. Порошок ПН80Ю20, измельченный и механически активированный в аттриторе в течение 1ч:
а - х500; б - х5000;в - х7500;г - х10000
Содержание в плазмообразующем газе N2, %
40
Содержание в плазмообразующем газе Ar, %
Угол наклона плазматрона, град
Общий расход ' плазмообразующего газа (АГ+Н2), л/с
Рис. 2. Влияние параметров плазменного напыления на пористость поверхностных слоев из сплавов с ЭПФ на основе №А1
в
г
б
а
После наплавки и механической обработки в размер проводился вакуумный отжиг образцов: сталь+№А1 при Т=973 К в течение 1 ч. Для придания поверхностным слоям необходимых функционально-механических свойств их подвергали ТМО методом поверхностного пластического деформирования (ППД) как в условиях комнатной, так и при высоких температурах в несколько приемов. Обкатку цилиндрических образцов из стали 45 с №А1 покрытием проводили в условиях повышенных (167-228 °С) температур, при следующих параметрах обкатки роликами: контактная нагрузка (на каждый ролик) Р = 3,5 кН, диаметр ролика d1 - 0 50 мм, ширина ролика Ь1 -8 мм, скорость обкатки V = 94-10-3 м/с, продольная подача - = 0,08 мм/об. Контроль термомеханического возврата образцов, подвергнутых комбинированной обработке в ТМЦ, производился после нагрева до температур обратного мартенситного превращения.
В результате плазменной наплавки механически активированных порошков формируется нанокри-сталлическое покрытие с минимальным содержанием пор 3-5 %, увеличивается прочность сцепления покрытия с основой.
Результаты рентгенофазового анализа показали, что при комнатной температуре исходное фазовое состояние слоя №А1 после плазменной наплавки механически активированного порошка представляет собой аустенитную фазу В2 с кубической решеткой, мартенситную фазу L10 с тетрагональной решеткой, фазу №5А!3 с орторомбической решеткой (рис. 3).
Граница раздела между стальной основой и покрытием из сплава с ЭПФ и на основе №А1 характеризуется наличием переходной зоны, ширина которой колеблется в пределах -20^50 мкм в зависимости от параметров обработки и материала основы. В промежуточном слое имеет место резкое снижение концентрации элементов сплавов с ЭПФ, за его пределами эти элементы отсутствуют, что подтверждается результатами химического анализа переходного слоя на границе сталь-сплав с ЭПФ, приведенными в таблице.
Результаты химического анализа переходного слоя сталь-№Л! на глубине 5№Л! =1 мм
Сталь с поверхностным слоем NiAl Содержание химических элементов, %
Cr Mn Si Cu Al Ni
Сталь 45 0,25 0,8 0,3 0,2 3,2 15,6
Рис. 3. Рентгенограмма поверхности никелида алюминия, полученного плазменной наплавкой механически активированного порошка, 8 = 1мм
Исследования показали, что структура наплавленных слоев сплавов №А1 имеет крайне слабую трави-мость обычными реактивами. Это во многом объясняется сильным измельчением зерна в результате высокоскоростного нагрева, быстрого охлаждения и значительной деформации (рис. 4), что обеспечивает особые структурные эффекты. В покрытии №А1 наблюдается неоднородная структура, светлые и более темные составляющие с размером зерна 90-200 нм (рис. 4). Микротвердость №А1-слоя колеблется в пределах Н^=6^8,5 ГПа.
Для создания разъемных соединений, управляемых с помощью термомеханического возврата, необходимо реализовать обратимый ЭПФ. В настоящей работе для наведения самопроизвольного обратимого ЭПФ с целью управления комплексом структурно-чувствительных функционально-механических свойств NiAl использовали комбинированный метод обработки поверхностного слоя из сплава с ЭПФ, заключающийся в комбинировании в едином цикле термической обработки (ТО) и пластической деформации. В результате ТО происходит стабилизация структуры при возможной релаксации остаточных внутренних напряжений после плазменной наплавки. С ростом температуры отжига для сплавов с памятью активизируются и обеспечиваются процессы релаксации напряжений и устранения дефектов. Такая обработка является необходимым звеном в технологии формирования качественного покрытия из никелида алюминия, обеспечивающим эффективное повышение комплекса функционально-механических свойств.
Свойства обратимой пластичности поверхностно-модифицированного слоя из сплава с ЭПФ являются основой для создания экономичных функциональных материалов. Для достижения должного уровня развиваемых реактивных напряжений формовосстановле-ния и обратимой деформации была проведена необходимая комплексная обработка, включающая поверхностное пластическое деформирование поверхностного слоя SNiAl =60^100 мкм в интервале температур прямого мартенситного превращения Ms—Mf. Эффективный слой из сплава NiAl в свободном состоянии восстанавливает наведенную деформацию при нагреве в интервале температур обратного мартенситного превращения As-Af.
После проведения отжига с последующим пластическим деформированием слоя сплава с ЭПФ NiAl наблюдается высокая плотность дефектов кристаллического строения аустенитной 52-фазы с формированием мелкозернистого аустенита (размер зерна 90180 нм), что приводит к повышению микротвердости (частично снимаемой отжигом) и циклической долговечности всех исследуемых образцов.
д е
Рис. 4. Наноструктурированное МА1 покрытие, полученное плазменным напылением механически активированного порошка: а - х2000; б - х5000; в - х2000; г - х10000; д - х20000; е - х60000
Полный цикл обработки, включающий плазменную наплавку механически активированного порошка №А1, отжиг, а затем ППД, приводит к формированию однородной нанокристаллической структуры, повышению долговечности и функционально-механических возможностей сплава с ЭПФ. ТМО (термомеханическая обработка) слоев сплава с ЭПФ №А1 в несколько приемов дает сочетание повышенной твердости и сопротивления усталости при многоцикловом нагружении со стабильными функциональными характеристиками ЭПФ (рис. 5).
Проведенные нами испытания на многоцикловую усталость при изгибе с вращением образцов из стали 45 поверхностно модифицированных сплавом с ЭПФ (ПМСЭПФ) на основе №А1 показали существенное повышение долговечности (рис. 6 а).
Рис. 5. Микроструктура слоя сплава МА1 после ТМО с обкаткой, х33000
Go, МПа 500
400•
300
200
2
! ^s^
I ^
-1-1-4- i I
YL> njo 6
|
§ (a
104
106
106 N, циклов 107
б
Рис. 6. Кривые многоцикловой усталости стали 45: а - без покрытия (1), после ПМСЭПФ МА1 (2); б - интенсивность изнашивания покрытия с ЭПФ МА1
Наибольшее значение амплитуды переменных напряжений, до которого образцы не разрушались, базовое число циклов (предел выносливости, а-1) для стали 45 без покрытия составляет 275 МПа, а после ПМСЭПФ NiAl - 360 МПа, т. е. увеличилось на - 31 %.
В настоящее время для определения величины износа материалов применяют различные методы, среди которых можно отметить весовой, метод определения линейного износа, метод искусственных баз и другие. Способность поверхностных слоев сплавов с ЭПФ NiAl оказывать сопротивление изнашиванию оценивалась по величине убыли массы NiAl при весовом износе (ГОСТ 16429-70). Испытания проводились при сухом трении закаленной втулки из стали У10 о поверхность образцов с покрытиями NiAl толщиной 1 мм, скорость вращения образца внутри втулки составляет 1500 об/мин, при нагрузке 300Н. Через каждые 2 мин проводилось взвешивание образцов. На рис. 6 б представлены результаты обработки данных экспериментов (с помощью прикладного пакета Statistica v6.0 в среде SPSS) при испытаниях на износостойкость стали 45 после ПМ сплавом NiAl. Полученные результаты показали существенное повышение износостойкости стали 45 после ПМСЭПФ плазменной наплавкой механически активированного порошка и последующего отжига на -20^60 % и её существенное повышение в результате полного ТМЦ обработки в -2,5^3,5 раза.
После ТМО наибольшая величина обратимой деформации для сплава NiAl составила 3,8-4,5 % при наведенной деформации 4,8-6 %.
Выводы
На основе анализа экспериментальных данных определены оптимальные режимы технологического процесса поверхностного модифицирования никели-дом алюминия стали 45 плазменной наплавкой механически активированного порошка. В результате получается нанокристаллическая структура, повышается качество упрочняющего покрытия с ЭПФ. Благодаря
механоактивации порошка с ЭПФ происходит увеличение плотности покрытия (пор менее 5 %), увеличение прочности сцепления покрытия с основой (55-60 МПа).
Установлены управляющие параметры обработки, контролирующие структурное состояние материала на этапе получения поверхностно-модифицированного слоя, а также последующей комбинированной обработки, позволяющей целенаправленно влиять на свойства ЭПФ поверхностного слоя из никелида алюминия.
Экспериментально установлено, что после плазменной наплавки механически активированного порошка с ЭПФ №А1 циклическая долговечность в условиях многоцикловой усталости увеличивается на -30-32 %. Износостойкость стали 45 после наплавки и отжига №А1 слоя увеличилась в 2-3 раза, после их тренировки в термомеханическом цикле в 2,5^3,5 раза.
Таким образом, установлено повышенное сопротивление многоцикловой усталости, увеличение износостойкости слоев сплавов с ЭПФ на основе №А1 на сталях в сочетании с приданием им новых функциональных свойств.
Работа выполнена при поддержке грантов РНП 2.1.2.4958 (02.14.80) 2006-2008 гг.; РНП 2.1.2/6702 министерства образования и науки Российской Федерации.
Литература
1. Лихачев В.А. Материалы с эффектом памяти формы / НИИХ СПбГУ. Т. 1. СПб., 1997. 424 с.
2. Investigation of Microcrystalline NiAl-Based Alloys with High-Temperature Thermoelastic Martensitic Transformation: I. Resistometry of the Ni-Al and Ni-Al-X (X = Co, Si,
а
or Cr) Alloys / S.V. Kositsyn [et al.] // Physics of Metals and Metallography. 2006. Vol. 102, № 4. P. 391-405.
3. Хачин В.Н., Пушин В.Г., Кондратьев В.В. Никелид титана. Структура и свойства. М., 1992. 161 с.
4. Kim H.Y., Miyazaki S. Martensite transformation behavior in Ni-Al and Ni-Al-Re melt-spun ribbons // Scripta Mater. 2004. Vol.50. P. 237-241.
5. Nanoscale inhomogencities in melt-spun Ni-Al / P.L. Potapov
[et al.] // Acta Mater. 2000. Vol. 48. P. 3833-3845.
6. Characterization, Processing, and Alloy Design of NiA1-Based Shape Memory Alloys/ E.P. George [et al.] // Materials characterization. 1994. Vol. 32. P. 139-160.
7. Otsuka K., Kakeshita T. Science and technology of shape-memory alloys: new developments // Mrs bulletin. 2002. Vol. 2. P. 91-98.
8. Investigation of Microcrystalline NiAl-Based Alloys with High-Temperature Thermoelastic Martensitic Transformation: II. Construction of Isothermal Diagrams of Decomposition of a Supersaturated b Solid Solution of Ni65Al35 and Ni56Al34Co10 Alloys / S.V. Kositsyn [et al.] // Physics of Metals and Metallography. 2006. Vol. 102. № 4. P. 406-420.
Поступила в редакцию
9. X-ray Study of Phase Transformations in Martensitic Ni-Al Alloys/ P.L. Potapov [et al.] // Metallurgical and materials transactions A. 1997. Vol. 28A, № 5. P. 1133.
10. Kainuma R., Ohtani H., Ishida K. Effect of Alloying Elements on Martensitic Transformation in the Binary NiAl(P) Phase Alloys // Metallurgical and materials transactions A. 1996. Vol. 27A. № 9. P. 2445.
11. Структурно-механические свойства материалов, поверхностно-модифицированных сплавами с эффектом памяти формы / Ж.М. Бледнова [и др.] // Заводская лаборатория. 2003. № 9. C. 61-64.
12. Бледнова Ж.М., Чаевский М.И., Русинов П.О. О возможных технологиях создания наноструктурированных поверхностных слоёв // Харьковская нанотехнологическая ассамблея. 2008. С. 140-147.
13. 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. 45-53.
24 августа 2009 г.
Бледнова Жесфина Михайловна - д-р техн. наук, профессор, заведующfz кафедрой, кафедра «Динамика и прочность машин», Кубанский государственный технологический университет. Тел. (861) 2534997. E-mail:[email protected]
Русинов Петр Олегович - аспирант, Кубанский государственный технологический университет. Тел. 89034481022. E-mail: [email protected]
Blednova Zhesfina Michaylovna - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Dynamics and durability of cars». Ph. (861) 2534997. E-mail:[email protected]
Rusinov Peter Olegovich - post-graduate student, Kuban State Technological University, Krasnodar. Ph. 89034481022. E-mail: [email protected]
