Тема: ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО Ni-Al СПЛАВА, СФОРМИРОВАННОГО НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ СИЛЬНОТОЧНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ

Актуальность темы
Низкоуглеродистая сталь широко используется в промышленности при изготовлении различных конструкций, деталей машин и механизмов по причине простоты обработки и относительно низкой стоимостью материала [1, 2]. При этом ее
существенными недостатками являются низкая стойкость к трибологическому износу, коррозии и высокотемпературному окислению. Для улучшения указанных свойств могут быть использованы методы обработки поверхности, одним из которых является покрытие стали Ni-Al соединением. Интерметаллические соединения Ni-Al обеспечивают сочетание высокой прочности и твердости, устойчивости к усталости и ползучести, хорошей устойчивости к коррозии и окислению при высоких температурах. Поэтому они рассматриваются как перспективные материалы защитных покрытий для промышленных металлов и сплавов при высокотемпературных применениях и агрессивных средах, которые могут повысить производительность и стабильность, например, катализаторов, турбинных лопаток авиационных двигателей, направляющих лопаток промышленных паровых турбин и т. д. [3].
Однако при изготовлении интерметаллических покрытий Ni-Al с использованием традиционной технологии нанесения возникают некоторые трудности, связанные как с технологией нанесения на изделия со сложной геометрией поверхности, таки и с неудовлетворительными адгезионными свойствами самого покрытия [4].
Постановка научной проблемы
В настоящее время существует множество методов нанесения интерметаллических Ni-Al покрытий, таких как электроосаждение, осаждение из паровой фазы (PVD), химическое осаждение из паровой фазы (CVD), термическое и холодное напыление, механическое легирование, а также формирование покрытия путем
самораспространяющегося высокотепературного синтеза (СВС) [1, 5 - 18]. Все они
обладают своими достоинствами и недостатками. Например, при PVD, CVD и термическом распылении рабочая температура процессов нанесения покрытия является относительно высокой, при этом возникают сложности, связанные с неизбежным окислением, как материала покрытия, так и подложки. Метод электроосаждения, хотя и считается экономически эффективным, может применяться только для ограниченного числа металлических покрытий. Также, при нанесении интерметаллических покрытий существуют трудности, связанные со значительным различием в физических свойствах никеля и алюминия, а также, как правило, и материала подложки, например, их температур плавления. Отдельной проблемой является низкая адгезия покрытия к подложке.
Частично преодолеть указанные выше трудности позволяют методы, основанные на формировании поверхностных сплавов жидкофазным смешиванием систем пленка- подложка концентрированными потоками энергии, а именно, интенсивными импульсными лазерными, ионными и электронными пучками, а также потоками плазмы. Преимуществом данных методов является то, что, несмотря на относительно короткое время высокоэнергетического воздействия, поверхностный сплав формируется именно в результате жидкофазного перемешивания материалов пленки и подложки [ 19, 20].
Поэтому, в отличие, например, от PVD и CVD, отсутствуют проблемы с недостаточной адгезией и возможным отслаиванием покрытия. Однако и эти методы обладают рядом недостатков, ключевыми из которых являются малый диаметр пучка, что приводит к необходимости сканирования подложки и, как следствие, к неравномерности и шероховатости покрытия [21]. Одним из методов, которые могут быть эффективно применены для изготовления Ni-Al покрытий, является метод формования поверхностных сплавов широкоапертурным электронным пучком [22].
Таким образом, объектом исследования является интерметаллическое покрытие, формируемое низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком .
Предметом исследований являются физические свойства сформированного поверхностного Ni-Al сплава, полученного путем напыления пленки на металлический материал с последующим импульсным плавлением .
Цель исследования: комплексное исследование структуры и физических свойств однородного поверхностного Ni-Al сплава, сформированного с помощью низкоэнергетического сильноточного электронного пучка на подложке из низкоуглеродистой стали.
Задачи исследования:
1. Выбор и обоснование режима формирования однородного Ni-Al сплава с помощью низкоэнергетического сильноточного электронного пучка.
2. Подготовка образцов для исследований однородного поверхностного Ni-Al магнетронного покрытия и поверхностного Ni-Al сплава на подложке из низкоуглеродистой стали.
3. Исследование физических свойств однородного Ni-Al магнетронного покрытия и поверхностного Ni-Al сплава
4. Проведение сравнительного анализа физических свойств и особенностей,
возникающих при электронно-пучковом воздействии на систему Ni-Al (пленка) - Fe (подложка).
Методы исследования:
1. Метод растровой электронной микроскопии, основанный на получении увеличенного изображения объекта путем сканирования по объекту сфокусированным пучком электронов и регистрации детектором сигнала, возникающего в результате взаимодействия электронов с веществом;
2. Метод энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, основанный на регистрации характеристического рентгеновского излучения при возбуждении внутренних оболочек атомов образца падающими электронами пучка;
3. Метод рентгеноструктурного анализа, основанный на идентификации различных фаз в их смеси на основе анализа дифракционной картины, даваемой исследуемым образцом;
4. Метод просвечивающей электронной микроскопии, основанный на исследовании тонких образцов / фольг посредством анализа, проходящего сквозь них высокоэнергетичного пучка электронов;
5. Метод скретч-теста для испытания на адгезионную прочность, основанный на протягивании по поверхности образца алмазного индентора с возрастающей нагрузкой;
6. Метод измерения параметров шероховатости, износостойкости и твердости поверхности.
Проведенные исследования позволили сформулировать следующие основные результаты и положения, выносимые на защиту.
1. Одноимпульсное облучение магнетронного Ni-Al покрытия эквиатомного состава 50 / 50 ат. % толщиной 2.5 мкм электронным пучком длительностью 2.5 мкс с плотностью энергии 4.2 Дж/см2 приводит к формированию однородного поверхностного сплава интерметаллидной фазы NiAl с размером зерен ~ 500 - 3500 нм;
2. Значения твердости и износостойкости поверхностного Ni-Al сплава, сформированного одноимпульсным перемешиванием покрытия при со-осаждении Ni и Al магнетронной распылительной системы в эквиатомном составе 50 / 50 ат. % толщиной 2.5 мкм электронным пучком длительностью 2.5 мкс с плотностью энергии 4.2 Дж/см2, увеличивает значения твердости и износостойкости подложки из низкоуглеродистой стали марки Ст3 на 104 и 512 %, соответственно.
Новизна защищаемых положений состоит в следующем:
Новизна первого и второго положений, выносимых на защиту, и соответствующих результатов обусловлена оригинальностью разработанной схемы формирования системы, ранее нигде не использующейся. С помощью магнетронного со-осаждения и последующего одноимпульсного электронно-пучкового перемешивания в едином вакуумном цикле впервые сформирован поверхностный сплав с интерметаллидной фазой NiAl и описаны его физические свойства.
Научная ценность полученных результатов:
Формирование поверхностного сплава с помощью магнетронного распыления и последующего одноимпульсного электронно-пучкового воздействия в едином вакуумном цикле расширяет возможности метода электро-пучкового синтеза поверхностных сплавов в части управления не только элементным, но и фазовым составом, что в дальнейшем может быть использовано для развития нового подхода к формированию многокомпонентных интерметаллических поверхностных сплавов.
Практическая значимость полученных результатов:
Формирование Ni-Al поверхностного сплава может быть использовано для улучшения физических свойств деталей, работающих при высоких температурах в агрессивных средах, например, лопаток турбин авиационных двигателей, направляющих лопаток промышленных паровых турбин, фрикционных деталей.
Публикации:
1. Pesterev E. Physical Properties of the NiAl Intermetallic Coating Produced by Irradiation with a Low-Energy High-Current Electron Beam / E. Pesterev, A. Solovyov, E. Yakovlev // 2020 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE). - Tomsk, Russia. - 2020 - P. 1263-1266, doi: 10.1109/EFRE47760.2020.9242163;
2. Solovyov A. Acoustic Signals in Ni-Al Coated Steel Induced by Irradiation with a Low-Energy High-Current Electron Beam / A. Solovyov, E. Pesterev, O. Maximov // 2020 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE). - Tomsk, Russia. - 2020. - P. 1267-1270, doi: 10.1109/EFRE47760.2020.9242154;
3. Пестерев Е.А. Физические свойства Ni-Al поверхностного сплава, сформированного серией импульсов / Е.А. Пестерев, А.В. Соловьев, Е.В. Яковлев // Доклады XXVIII международной науч.-практич. конф.; под общ. ред. В.М. Панарина. - Т.: Инновационные технологии. - 2020. - 125-131 с.
Купить

В ходе проведения исследовательской работы были получены следующие результаты:
1) Проведен литературный обзор методов формирования Ni-Al покрытий. Однородные поверхностные сплавы с высокотемпературной интерметаллической фазой NiAl, формируемые методом, описанном в данной работе, в литературе найдены не были.
2) Выбран режим формирования однородного Ni-Al сплава, который заключался в магнетронном со-осаждении Ni и Al в эквиатомном составе 50 / 50 ат. % и последующим одноимпульсном перемешивании покрытия низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком с плотностью энергии 4.2 Дж/см2 в едином вакуумном цикле;
3) Исследование фазового состава показало, что для магнетронного покрытия, получаемого при со-осаждении Ni и Al, и поверхностного сплава, синтезируемого в результате однократного НСЭП облучения магнетронного покрытия, основной фазой является высокотемпературная интерметаллическая фаза NiAl;
4) Электронно-микроскопические исследования показали, что при со-осаждении Ni и Al в эквиатомном составе 50 / 50 ат. % формируется покрытие с нанокристаллической столбчатой структурой с размером зерен ~50 - 250 нм. В результате одноимпульсного плавления, и формирования Ni-Al поверхностного сплава, происходит перекристаллизация магнетронного покрытия. Поверхностный сплав формируется с размером зерен на порядок больше, чем в случае исходного покрытия, они достигают от 0.5 до 3.5 мкм;
5) Установлены морфологические особенности сформированного
поверхностного NiAl сплава. Толщина сформированного поверхностного сплава составляет (2.7 ± 0.1) мкм и на 0.2 мкм превышает толщину исходной однородной системы. Структура поверхности NiAl сплава имеет однородный характер. По всей поверхности равномерно распределены трещины, которые имеют ячеистую структуру;
6) Изучение адгезионных свойств при помощи скретч-тестирования показало, что покрытие и поверхностный сплав имели схожие значения. Полученные данные объясняются тем, что они имеют равную толщину и состояли из одной и той же фазы - моноалюминида никеля, что с точки зрения адгезионных свойств одинаково;
7) Исследования нанотвердости показали, что значение твердости однородного покрытия составляет 2.3 ± 0.5 ГПа, что сравнимо с твердостью исходной подложки в пределах погрешности. В результате электронно-пучкового перемешивания однородного покрытия и формирования Ni-Al поверхностного сплава происходит увеличение твердости примерно в 2 раза и составляет 5.7 ± 0.5 ГПа;
8) Трибологические испытания показали, что напыление на стальную
подложку Ni-Al покрытия приводит к увеличению износостойкости почти в 2.9 раз (коэффициент износа уменьшился до 2.82 х 10-5 мм3/(Нхм). В результате формирования Ni-Al поверхностного сплава происходит еще большее увеличение износостойкости образца, коэффициент износа падает до 1.33 х 10-5 мм3/(Нхм), что более чем в 2 раза лучше, чем у образца с Ni-Al покрытием.
Купить