Диссертация (Повышение надёжности материалов судовой арматуры путём модифицирования поверхности лазерной и электронно-пучковой обработкой), страница 8

Наилучшимифлюсовыми добавками являются добавки флюса №1.Поскольку, как было сказано выше, исследование режимов обработки напористость показало, что чем быстрее обработка, тем меньше вероятностьобразования дефектов. Поэтому скорость подачи лазерного луча быласкорректирована в сторону увеличения до 13 мм/с.При увеличении скорости обработки необходимо было сохранить значениеглубины упрочнения. Поэтому мощность лазерного излучения была повышена с1,5 до 2,5 кВт.

Глубина упрочнения при скорости обработки 13 мм/с составила0,7 мм. Проверка микротвердости показала, что твердость поверхностного слоясоставляет от 450 до 500 HV.Эта микротвердость сохраняется вплоть допереходной зоны. На рис. 2.12 представлены микроструктуры образцов поглубине обработанного слоя.50а)б)в)Рис. 2.12. Основные типы структур, выявленные в зоне воздействия лазерного луча: (а)- ультрадисперсное однородное распределение зерен диаметром менее 5 мкм; б) –структура мартенситного типа; в - дисперсная смесь α+γ фазС помощью многофункционального рентгеновского дифрактометра RigakuUltima IV, снабженногокомплексомуправляющихпрограммиобрабатывающим комплексом PDXL (X-ray Powder Diffraction Software) с базойпорошковых дифракционных стандартов PDF-2 от 2008 г.

был проведён анализфазового состава приповерхностного обработанного слоя образцов бронзы.Исследованный слой был представлен следующими фазами: твердымраствором на основе меди, Cu, с ГЦК решеткой и параметрома=3,65Å,(основная фаза подложки), и интерметаллидами Cu9Al4 (γ-фаза), с кубическойобъемно-центрированнойобъемно-центрированнойдифракционному(рис.2.13).решеткой I43m ирешеткоймаксимуму сIm3m,AlCu3 (β-фаза), с кубической(расшифровкамежплоскостнымпорасстояниемодномуd=2,05Å)Aluminum Copper, (2 1 18)Aluminum Copper, (1 0 26)Aluminum Copper, (5 1 1)Aluminum Copper, (4 2 2)Aluminum Copper, (1 2 16)Copper, (2 0 0)Aluminum Copper, (3 3 2)Aluminum Copper, (1 1 23)Aluminum Copper, (5 1 0)Aluminum Copper, (2 0 12)Aluminum Copper, (4 2 1)4540(2 0 0)(2 1 18)(1 1 23)(1 2 16)(1 0 26)(2 0 12)(1 2 10)Copper, CuAluminum Copper, Al Cu345(5 1 1)(4 2 2)(5 1 0)Aluminum Copper, Cu9 Al4(3 3 2)050(4 2 1)50(3 3 0)(2 2 2)0100(0 0 22)(1 1 1)50(3 2 1)(0 2 1)(2 0 2)0100(1 0 12)Aluminum Copper, (3 3 0)4050(3 0 0)Meas.

data:bronza1_o_2018-10-11/Data 1Copper,CuAluminum Copper,Al Cu3Aluminum Copper,Cu9 Al40100(0 1 11)Aluminum Copper, (1 2 10)500Aluminum Copper, (2 0 2)1000Aluminum Copper, (3 2 1)Aluminum Copper, (0 2 1)Aluminum Copper, (2 2 2)1500Intensity (cps)AluminumAluminumCopper,Copper,(1(30012)0)Aluminum Copper, (0 1 11)2000Copper, (1 1 1)Aluminum Copper, (0 0 22)51502-theta (deg)Рис.

2.13. Участок дифрактограммы образцаНа основе проведенных исследований был выбран рациональный режимобработки, который применил для лазерного легирования золотников,используемых в элементах арматуры ПА различного назначения. Полученные спомощьювыбранногорежималазерноголегированияготовыедеталипредставлены на рис.

2.13. Результаты испытаний готовых золотников показалих полное соответствие нормативным требованиям, при этом микротвёрдостьповерхностного слоя была на 30% выше по сравнению с микротвёрдостьюдеталей, получаемых по традиционной технологии.На основе полученных результатов разработан стандарт № СТО 3072640901-2014 «Технологический процесс лазерного легирования золотников. Опытнаяпартия» и изготовлены две партии готовых деталей.2.2. Модификация поверхности материалов сильноточнымэлектронным пучком микросекундной длительности2.2.1. Генерация импульсных электронных пучков на основемногоострийных взрывоэмиссионных катодовОдин из наиболее перспективных методов получения сильноточныхэлектронных пучков основан на явлении взрывной электронной эмиссии (ВЭЭ),52открытом благодаря исследованиям, проведенных под руководством Г.А.Месяца и Г.Н.

Фурсея. Согласно формулировке Г.А. Месяца [54], взрывнойэлектроннойэмиссиейназываетсяповерхностипроводника,«испусканиеявляющегосяэлектронногокатодом,токавследствиеизвзрывамикроскопического объема на его поверхности». Наиболее распространенныйспособ возбуждения ВЭЭ – быстрый нагрев микроучастка катода токомавтоэлектронной эмиссии, плотность которого может превышать 109 А/см2.Впростейшемслучаевзрывоэмиссионныйисточникэлектроновпредставляет собой диод, состоящий из катодного и анодного электродов,разделенныхвакуумнымпромежутком.Взависимостиоттребуемойконфигурации пучка катодный электрод может иметь различную геометрию:плоскую, кольцевую, коническую, представлять собой совокупность элементовсбольшойкривизнойповерхности.Геометрияанодногоэлектродасоответствующим образом согласована с геометрией катода.Достоинствами взрывоэмиссионного источника являются: отсутствиенакала; простота конструкции; способность работать в условиях техническоговакуума (10-3 – 10-2 Па); очень широкий диапазон плотности эмиссионного тока(10-1 – 105 А/см2); возможность реализации различной геометрии электронногопотока; безынерционность включения.Однако взрывоэмиссионные источники имеют не только достоинства, но иследующие недостатки.1.Расширение катодной плазмы (КП) в течение импульса генерацииэлектронного пучка приводит к ограничению длительности импульса u иизменению параметров пучка во времени.

При работе в наносекундномдиапазоне длительности импульса расширение КП может оказывать не оченьсильное влияние на характеристики пучка, так как расстояние, на котороеуспевает расшириться КП в течение импульса, может быть заметно меньшедлины ускоряющего промежутка. При микросекундной же длительностиимпульса КП расширяется на расстояние, сравнимое с длиной ускоряющего53промежутка. Поэтому влияние динамики КП на работу источника ихарактеристикипучкаоченьсущественно.Прибольшойплотностиэлектронного тока на аноде образуется анодная плазма, расширение которойтакже приводит к ограничению длительности импульса;2.Сравнительно невысокую стабильность параметров электронного пучка отимпульса к импульсу.

Это обусловлено чувствительностью параметров КП ксостоянию поверхности катода, которая может меняться от импульса кимпульсу;3.Сравнительно невысокую пространственную однородность электронногопотока. Это связано с изменением параметров КП вдоль поверхности катода ивлиянием объемного заряда электронов на однородность возбуждения ВЭЭ.Указанные недостатки проявляются наиболее существенно при работе вмикросекундном диапазоне длительностей импульса и большой эмиссионнойповерхности, когда параметры КП и ее динамика оказывают сильное влияние нахарактеристикиэлектронногопотока.Очевидно,чтоэтинедостаткипрепятствуют расширению области применения сильноточных импульсныхэлектронных пучков, так как во многих случаях требуются именноширокоапертурные пучки микросекундной длительности со стабильными иуправляемыми параметрами.Повысить однородность работы источников и стабильность их параметровпозволяет применение в качестве источника электронов многоострийныхвзрывоэмиссионных катодов (МВК) [55], состоящих из большого числа острий,равномерно расположенных на металлической подложке требуемой геометрии иплощади.

При приложении импульса высокого напряжения к ускоряющемупромежутку кончики этих острий взрываются, образуя КП, которая являетсяисточником электронов. При этом параметры электронного пучка зависят отодновременностивзрываострий,однородностираспределениятоков,протекающих в остриях, стабильности и однородности параметров катоднойплазмы. Также на работу катода может существенно влиять внешнее магнитное54поле, используемое для формирования и транспортировки электронного пучка вкамеру обработки материалов [56]. При этом влияние анодной плазмы (потоковионов с мишени) не играет определяющей роли, если расстояние катод-мишеньпревышает 0,5 м [57].В работах [58 – 59] было установлено1.

СредняянапряженностьэлектрическогополяЕср,прикоторойвозбуждается взрывная эмиссия, зависит от материала и геометрии острий.Минимальное значение Еср  8 кВ/см имеет место при использованииграфитовых острий. Применение в качестве острий пучков графитовых волокондиаметром ~ 10 мкм позволяет снизить Еср до 2 кВ/см;2. При использовании углеродо-волоконных острий также минимальнаскорость расширения КП – (0,5 – 0,6)106 см/с (в случае металлических острийона равна (1,7 – 2)106 см/с);3. Количество работающих острий зависит от их материала и геометрии,расстояния между остриями, амплитуды импульса напряжения и длительностиего фронта. Включение всех острий удается обеспечить при использованиипучков графитовых волокон при расстоянии между остриями > 1,5 см, Uср 1520 кВ/см, длительности фронта < 0,2 мкс.Предпринятые меры [60 – 62] по повышению стабильности работыисточников электронных пучков с МВК, в частности, введение резисторов в цепьострий и применение изолированного фокусирующего электрода, использованиетриодной схемы источника [63] дают возможность существенного улучшенияповерхностных свойств материалов при действии на них микросекундныхэлектронных пучков (МИЭП).2.2.2.

Исследовательские установки для модификации поверхностныхсвойств материаловДля проведения работ по модификацииповерхностныхсвойств55материалов использовались две исследовательские установки - импульсныеэлектронные ускорители ГЕЗА-1 и ГЕЗА-2 [64], формирующие пучкимикросекундной длительности. Основные параметры установок приведены втабл. 2.2.Таблица 2.2Параметры установок ГЕЗА-1 и ГЕЗА-2ПараметрыГЕЗА-1ГЕЗА-2Энергия электронов, кэВ50-150100-400Плотность мощности, МВт/см2до 2до 6Диаметр пучка на мишени, см5-104-6Длительность импульса, мкс5-505-250Для реализации процесса модификации электронный пучок долженобеспечить плавление поверхностных слоев материалов на глубину десяткимикрон со скоростью нагрева (108 – 109) К/с.

При этом предпочтительнеенагревать обрабатываемый слой без заметного вскипания расплавленной фазы, атакже без значительных потерь энергии на теплопроводность внутрь массыматериала, т.е. в режиме так называемого адиабатического нагрева.адиаб, мкс150нерж. стальTi10050050100150200энергия электронов, кэВРис. 2.14. Зависимость максимальной длительности импульса пучка, при которойреализуется адиабатический режим нагрева, от энергии электронов для Ti и Fe56Расчеты показали, что при кинетической энергии электронов порядка 100 –400 кэВ, плотность энергии пучка и максимальная длительность импульса, прикоторыхобеспечиваютсяусловиядляадиабатическогонагреваобрабатываемого слоя, лежат в пределах 15 – 60 Дж/см2 и от единиц до десятковмикросекунд.Рис.