Изучена структура и абразивная износостойкость углеродсодержащих азотистых покрытий, формирующихся при электронно-лучевой наплавке, в зависимости от способа приготовления наплавочного порошка и содержания в нем углерода.

В работе приведены результаты исследования структуры и трибологических свойств композиционных покрытий «диборид титана – металлическая связка», полученных методами электронно-лучевой наплавки, газопламенным напылением и напылением с последующим оплавлением электронным лучом. Показано, что покрытия, полученные электронно-лучевой наплавкой, обладают более высокими значениями износостойкости при абразивном изнашивании и износе в парах трения.

Методом электронно-лучевой наплавки в атмосферном воздухе получены многофункциональные хромсодержащие покрытия. С помощью металлографии, электронной микроскопии фольг, рентгенофазового анализа и рентгеновского микроанализа определена структура и проведен подробный анализ химического и фазового состава наплавленных слоев, на основании которого высказаны предположения о природе формирования свойств покрытий - твердости, износостойкости, коррозионной стойкости, жаростойкости.

Изучены структура, фазовый состав и износостойкость аустенитных покрытий с карбидным упрочнением. Установлено, что в процессе наплавки и старения в объеме упрочненного слоя формируется однородная дисперсно-упрочненная структура с мультимодальным распределением частиц упрочняющей фазы по размерам, позволяющая увеличить микротвердость и износостойкость покрытия в 1,5-2 раза.

Исследовано распределение макродеформаций в азотистых покрытиях, формирующихся при электронно-лучевой наплавке, в зависимости фазового состава.

Изучены химический, фазовый состав и структура слоев, полученных электронно-лучевой наплавкой на воздухе смесей порошков хрома и карбида хрома на низкоуглеродистую сталь. Определена микротвердость слоев по их толщине. Проведены испытания на изгиб, коррозионную стойкость, абразивный износ стали с наплавкой. Рассмотрен предположительный механизм формирования свойства покрытий: твердости, износостойкости, трещиностойкости и прочности на изгиб.

Методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки порошковых смесей карбида хрома с хромом и карбидом титана сформированы бифункциональные покрытия, обладающие высокой износо- и коррозионной стойкостью. Показано, что повышение износостойкости покрытия связано с резким измельчением структуры за счет появления множества центров кристаллизации в виде дисперсных выделений TiC.

В рамках проводимых исследований отрабатывались составы исходных порошковых смесей и режимы их мехактивации для электронно-лучевой наплавки покрытий на медную подложку. В качестве матрицы покрытий на основе диборида титана использовали порошки ПХ20Н80 и ПГ-10Н-01, а также их смеси между собой. Изучены структура и механические свойства композиции «подложка – покрытие» в условиях сжатия и трения. Показано, что наплавка механически активированной в шаровой мельнице порошковой шихты, содержащей наноразмерные частицы TiB2, обеспечивает существенное повышение прочности и износостойкости покрытий.

Исследованы триботехнические характеристики композиционных покрытий, полученых методом электронно-лучевой наплавки на основе азотсодержащей хромомарганцевой стали с карбонитридами титана. Показано, что с ростом содержания карбонитридов титана в матрице Х20АГ20 абразивная износостойкость возрастает. При испытании по схеме "вал - две плоские колодки" при комнатной температуре исследуемые покрытия с увеличением в них доли карбонитридов титана показывают более высокую износостойкость. Дополнительная термическая обработка покрытий улучшает их триботехнические характеристики и увеличивает диапазон допустимых скоростей скольжения и удельных нагрузок.

Методом наплавки в пучке релятивистских электронов смеси порошков карбидов хрома и бора на подложке из низкоуглеродистой стали получены износо- и коррозионно-стойкие покрытия. Определен состав наплавочной смеси, обеспечивающий получение покрытий с оптимальным сочетанием свойств. Изучено влияние режима облучения на структуру и свойства наплавленного слоя.

Исследованы трибологические свойства азотосодержащих аустенитных покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой, при абразивном изнашивании и при трении скольжения твердосплавного индентора из ВК6. Сопротивление абразивному изнашиванию в кварцевом песке азотистых покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой порошка стали 60Х24АГ16, хуже, чем стали 65Г после закалки, однако возрастает с увеличением массовой доли наполнителя. При содержании азотированного феррованадия 10-30 мас.% сопротивление абразивному изнашиванию увеличивается на 30-50 % соответственно. Установлено, что при определенной нагрузке на шарик-индентор ВЛ6 происходит снижение коэффициента трения и сопротивления сдвигу поверхностного слоя. Показано, что азотистое покрытие, наплавленное порошком стали 60Х24АГ16, а также композиционные азотистые покрытия, при высоких удельных нагрузках на шарик-индентор обладают износостойкостью, превышающей износостойкость стали 110Г13 и стали Х18Н10 более чем в 2 раза и более чем в 7 раз соответственно. На основании структурных исследований предложено объяснение наблюдаемому трибологическому поведению азотистых покрытий.

Исследованы топографические особенности дорожек трения, полученных при испытании скользящим шариком из ВК6 по схеме шарик—диск аустенитного азотсодержащего покрытия в сравнении со сталью 110Г13 с варьированием нагрузки и скорости скольжения. Установлено, что сопротивление изнашиванию азотистого аустенита связано с его способностью к релаксации фрикционных напряжений. Показана корреляция между показателем Н3/E2 поверхности трения и интенсивностью изнашивания.

Исследованы структура и свойства покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой порошковой смеси частиц СВС-композита TiB2-Fe и металлической связки из высокохромистого чугуна. изучено влияние состава исходных компонентов в направляемой шихте на механизм фазообразования и структурообразования.

Исследована микроструктура, твердость и фазовый состав электронно-лучевых покрытий, наплавленных порошками, полученными вибропомолом стружковых отходов быстрорежущей стали Р6М5. Меньшая твердость покрытий по сравнению с покрытиями, наплавленными промышленным распыленным порошком, объясняется пониженным содержанием углерода в порошке из стружки. Диффузионный отжиг порошка с добавками сажи увеличивает твердость покрытий до уровня твердости покрытий, наплавленных распыленным порошком.

В работе представлены результаты исследования структуры и свойств композиционных покрытий, полученных методом электронно-лучевой наплавки из смеси термореагирующих порошков FeB–FeTi. Показана зависимость фазо- и структурообразования покрытий от гранулометрического состава исходных компонентов наплавляемой шихты. Исследованы абразивная износостойкость, коэффициенты трения и интенсивность изнашивания в парах трения. Показана взаимосвязь полученных характеристик со структурой и морфологическими особенностями структурных составляющих покрытий.

Методом электронно-лучевой наплавки порошка карбида хрома получены коррозионно-стойкие и жаростойкие покрытия на низкоуглеродистой стали. Определены корреляционные соотношения между скоростью ультразвука в покрытии и его толщиной, содержанием Cr, коррозионной и жаростойкостью.

Исследовано влияние ZrO2 на структуру и твердость электронно-лучевых покрытий системы Ti-B-Fe. Установлено, что модифицирующее действие ZrO2 (не более 1 масс.%) в условиях электронно-лучевой наплавки проявляется в увеличении степени дисперсности структурных составляющих во всем объеме наплавленного слоя, а также в упрочнении твердого раствора металлической матрицы ультрадисперсными первичными оксидными частицами и продуктами их восстановления.

Исследованы структура и свойства композиционных порошковых покрытий на основе карбида титана, нанесенных методом электронно-лучевой наплавки. Показано, что технология электронно-лучевой наплавки порошка на основе никеля и карбида титана позволяет получать высококачественные износостойкие покрытия, превосходящие по плотности и твердости покрытия, полученные напылением и оплавлением. Изменения объемной доли упрочняющей фазы и химического состава металлической матрицы позволяют контролировать твердость покрытия.

Высокая стойкость наплавленных слоев против абразивного изнашивания достигается при введении в наплавленный металл карбида вольфрама. для замены дорогостоящего карбида вольфрама в настоящее время стремятся использовать более дешевые наплавочные материалы, содержащие в качестве основного легирующего элемента хром, а также углерод и бор. В данной работе исследована возможность повышения твердости и износостойкости стали при использовании высокохромистых смесей вместо карбида вольфрама при электронно-лучевой наплавке.

Проведено изучение структуры, микротвердости и износостойкости аустенитных покрытий с карбидным упрочнением, нанесенных с помощью аргонодуговой наплавки. Установлено, что в процессе наплавки и старения в покрытии формируется структура с мультимодальным распределением частиц упрочняющей фазы по размерам, которая приводит к равномерному распределению микротвердости и повышению абразивной износостойкости упрочненного слоя.

Методами металлографии, электронной микроскопии и рентгенографии исследована структура и проведен подробный химический и фазовый анализ покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой на воздухе порошковых смесей. Определен оптимальный режим наплавки. обеспечивающий высокую износо- и коррозионную стойкость покрытий на малоуглеродистой стали Ст.3.

Исследованы структура и свойства покрытий, полученных наплавкой смесей порошков хрома и карбида хрома на низкоуглеродистую сталь Ст3. Показано, что износостойкость наплавленных слоев определяется характером образующейся структуры, а коррозионная стойкость — содержанием в них хрома. Подобран режим наплавки, позволяющий получить бифункциональные покрытия, обладающие одновременно достаточно высокими значениями износостойкости и коррозионной стойкости.

Отработаны технологические режимы вибропомола стружковых отходов быстрорежущей стали Р6М5, обеспечивающие наибольший выход фракции, пригодной для электронно-лучевой наплавки покрытий. Исследована микроструктура, фазовый состав и твердость электронно-лучевых покрытий, наплавленных порошком из стружки и промышленным распыленным порошком. Обсуждены причины различия твердости и фазового состава покрытий, наплавленных распыленным и молотым порошком.

Изучен процесс формирования структуры покрытия при электронно-лучевой наплавке. В качестве наплавочного материала использовали порошковые смеси Cu-Cr и Р6М5 + TiC. Показано, что за счет образования сильно перегретой области в зоне действия электронного луча происходит плавление либо растворение в жидкой ванне всех компонентов порошковой смеси присадочного материала. Быстрая кристаллизация расплава обеспечивает образование сильно пересыщенного твердого раствора. Старение наплавленных покрытий приводит к образованию мультимодального распределения частиц упрочняющей фазы в объеме наплавленного слоя.??.

Методом электронно-лучевой наплавки на ускорителе электронов карбидов вольфрама и хрома и последующей импульсной обработки низкоэнергетическими электронами сформирована нано- и ультрадисперсная зеренная структура, пронизанная системой наноразмерных пор. Показано, что в зоне вторичного импульсного воздействия нанотвердость и модуль упругости достигают аномально высоких значений. Модифицированный приповерхностный слой с наноструктурой и хаотическим распределением нанопор может служить барьером для развития хрупкого разрушения.

С помощью метода подвижных клеточных автоматов была развита многоуровневая модель структурно-неоднородных покрытий. Она основана на последовательном выполнении следующих этапов: моделирование однородных образцов со свойствами составляющих компонентов покрытия; определение представительного объема неоднородного покрытия с явным заданием его структуры; неявный учет свойств неоднородностей малого масштаба в полномасштабной модели. развитая модель была применена для изучения разрушения структурированных покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой на стальной подложке, при различных видах механического нагружения.

Исследованы композиционные покрытия "карбид титана - сплав на основе железа", нанесенные методом электронно-лучевой наплавки. Структура наплавленных покрытий подобна структуре спеченных карбидосталей, причем стальная связка закаливается в процессе нанесения покрытия, что обеспечивает дополнительное повышение его твердости.

Исследованы покрытия из эвтектического хромистого чугуна легированного ванадием. Основной объем покрытий имеет квазиэвтектическую структуру с аустенитной матрицей и карбидами(C, Fe, V)7C3 и V2C. В результате многослойной электронно-лучевой наплавки от границы раздела с подложкой формируется переходный слой из доэвтектического чугуна.

В режиме послойного горения синтезированы и исследованы металломатричные композиты “карбид титана - связка из стали Р6М5”. Из продуктов синтеза получены композиционные порошки TiC + Р6М5, которые использовались для электронно-лучевой наплавки покрытий. Установлено, что наплавленное композиционное покрытие содержит разномасштабные упрочняющие элементы в виде гранул композиционного порошка и отдельных карбидных частиц в стальной матрице, которые отличаются дисперсностью и морфологией. Прослежена эволюция микроструктуры гранул композиционного порошка в процессе наплавки, заключающаяся в частичном растворении периферийной части гранул с высвобождением и переходом карбидных включений в расплав наплавочной ванны.

Проведено сравнительное исследование кинетики абразивного изнашивания и износостойкости металлокерамических композитов с карбидной упрочняющей фазой и сплавов на основе железа. Результаты обсуждены с привлечением результатов металлографических исследований структуры материалов. Предложен механизм абразивного изнашивания исследованных композитов.

Проведено исследование процессов пластической деформации на мезо- и макромасштабном уровнях при трении и изнашивании конструкционной стали с композиционным упрочняющим покрытием. Показано, что характер пластической деформации на мезомасштабном уровне в композициях с покрытиями характеризуется рядом существенных особенностей, связанных с возникновением иерархии концентраторов напряжений на двух границах раздела: "контртело-покрытие" и "покрытие-основа". Анализ изображений поверхности трения с помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC позволил установить, что под действием поперечных составляющих сдвигов, развивающихся в результате релаксации мезоконцентраторов напряжений на границе раздела "контртело-покрытие", создается периодическое чередование зон растяжения и сжатия. Это обусловливает поперечное перераспредление твердых частиц в тонком поверхностном слое и возникновение в нем "строчечной" структуры.

Исследован эффект модифицирования структуры высокохромистого белого чугуна добавкой дисперсного порошкового карбида титана при спекании и электронно-лучевой наплавке. Наиболее сильное измельчение структуры, сопровождаемое ростом твердости, наблюдается для чугуна доэвтектического состава. Наибольшую твердость имеют спеченные композиты карбид титана - высокохромистый чугун. Относительно меньшая твердость наплавленных композиционных покрытий аналогичного состава объясняется вакуумной очисткой наплавочной ванны от примесей внедрения.

Изучены коррозионно-стойкие покрытия, полученные методом электронно-лучевой наплавки на воздухе. Показано, что свойства покрытий зависят от содержания в них хрома, скорости охлаждения наплавленного металла и наличия остаточных закалочных напряжений.

Разработаны технологические параметры получения методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) карбонитридов титана и металлокерамических композиционных порошков на их основе с матрицей из высокоазотистой стали Х20ФГ20 (N=0,9 масс%). Установлены оптимальные режимы синтеза. Проведено исследование качественных характеристик материалов (гранулометрический состав порошка, содержание газов, структура). На основе синтезируемых композиционных порошков системы "TiCN-X20АГ20" методом электронно-лучевой наплавки получены покрытия, исследованы их структура и свойства.

В ИФПМ СО РАН разработана технология электронно-лучевой наплавки композиционных порошковых материалов на детали металлургического производства. Технология позволяет формировать градиентные покрытия различного функционального назначения с использованием твердых тугоплавких соединений (карбиды, нитриды, бориды). Получаемые покрытия обладают высокими значениями твердости, износостойкости и имеют литую структуру. Многолетний опыт развития электронно-лучевой наплавки в ИФПМ СО РАН позволил разработать и внедрить на Западно-Сибирском металлургическом комбинате (г. Новокузнецк) уникальную многоцелевую установку электронно-лучевой наплавки «ЛУНа-10» для упрочнения деталей металлургического оборудования.

Теоретически и экспериментально исследованы различные методы электронно-лучевой обработки металлических и неметаллических материалов: получение отливок повышенной чистоты из тугоплавких металлов, в частности изготовление новых и восстановление изношенных катодов, мишеней, упрочнение поверхностных слоев сталей из стали и сплавов титана с расплавлением и без расплавления поверхностного слоя; нанесение на поверхность металлических изделий упрочняющих порошковых покрытий; получение неразъемных соединений керамика-металл, металл-металл. Представлены электронно-лучевые технологии получения металлорежущих инструментов, оснащенных пластинками из кубического нитрида бора, упрочнения методами электронно-лучевой наплавки, закалки с расплавлением и без расплавления поверхностного слоя, получения биметаллических катодов, мишеней. Монография рассчитана на научных и инженерно-технических работников, специализирующихся в области высокоэнергетических методов обработки материалов, может быть полезна аспирантам и студентам технических вузов.