Помощь студентам в учебе
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ СПЛАВОВ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКЕ
|
Введение 4
Глава 1. Структура и свойства ВЭС, полученных аддитивными технологиями 11
1.1. Характеристика микроструктуры ВЭС, изготовленных аддитивными
технологиями 16
1.2. Механические свойства ВЭС, полученных аддитивным производством23
1.3. Криогенные и высокотемпературные свойства 27
1.4. Функциональные свойства ВЭС, изготовленных аддитивным
производством 34
1.5. Текущие проблемы и перспективы, краткие выводы 36
Заключение 39
Глава 2. Материалы и методы исследования 40
2.1. Методика формирования высокоэнтропийного сплава Со-Cr-Fe-Ni-Al 40
2.2. Методика получения высокоэнтропийного сплава Кантора Co-Cr-Fe-Ni-
Mn 41
2.3. Электронно-пучковая обработка ВЭС 43
2.4. Методы исследования и методика механических испытаний 45
Глава 3. Формирование и изменение Структуры, фазового состава и свойств ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Mn на подложке из нержавеющей стали после электронно
пучковой обработки 47
3.1. Структурно-фазовые состояния ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Mn 47
3.2. Механические свойства ВЭС Кантора неэквиатомного состава Co-Cr-Fe-
Ni-Mn 54
3.3. Структура, фазовый состав и свойства ВЭС, после ЭПО 61
Заключение 77
Глава 4. Структура и свойства ВЭС наплавленного на сплав 5083 после электронно-пучковой обработки 79
4.1. Структура, фазовый состав и свойства ВЭС Кантора Co-Cr-Fe-Ni-Mn. 79
Заключение 88
4.2. Структура зоны контакта подложки (сплав 5083) и наплавки (ВЭС - Co-
Cr-Fe-Ni-Mn), после электронно-пучковой обработки 88
Заключение 94
Глава 5. Структура и свойства поверхности ВЭС Со-Cr-Fe-Ni-Al после нанесения пленки (B+Cr) и облучения импульсным электронным пучком 95
5.1. Структура и свойства ВЭС Cо-Cr-Fe-Ni-Al в исходном состоянии 95
5.2. Структура и свойства ВЭС с пленкой после ЭПО 98
Заключение 108
Основные выводы 110
Список литературы 112
ПРИЛОЖЕНИЯ 132
ПРИЛОЖЕНИЕ А - АКТ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ НА ООО «КУЗНЕЦКИЙ
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ЗАВОД- МЕТАЛЛУРГИЯ» 132
ПРИЛОЖЕНИЕ Б - АКТ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ НА АО «НЗРМК ИМ.Н.Е. КРЮКОВА» 133
ПРИЛОЖЕНИЕ В - СПРАВКА ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ НА ООО «КУЗБАССКИЙ ЦЕНТР СВАРКИ И КОНТРОЛЯ» 134
ПРИЛОЖЕНИЕ Г - СПРАВКА ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ
ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ В ФГБОУ ВО «СИБГИУ» 135
ПРИЛОЖЕНИЕ Д - СПРАВКА ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ
ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ В ГНЦ ФГУП«ЦНИИ ЧЕРМЕТ ИМ.И.П. БАРДИНА» 136
ПРИЛОЖЕНИЕ Е - СПРАВКА ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ
ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ В ООО «ПРОММЕСТ» 137
Глава 1. Структура и свойства ВЭС, полученных аддитивными технологиями 11
1.1. Характеристика микроструктуры ВЭС, изготовленных аддитивными
технологиями 16
1.2. Механические свойства ВЭС, полученных аддитивным производством23
1.3. Криогенные и высокотемпературные свойства 27
1.4. Функциональные свойства ВЭС, изготовленных аддитивным
производством 34
1.5. Текущие проблемы и перспективы, краткие выводы 36
Заключение 39
Глава 2. Материалы и методы исследования 40
2.1. Методика формирования высокоэнтропийного сплава Со-Cr-Fe-Ni-Al 40
2.2. Методика получения высокоэнтропийного сплава Кантора Co-Cr-Fe-Ni-
Mn 41
2.3. Электронно-пучковая обработка ВЭС 43
2.4. Методы исследования и методика механических испытаний 45
Глава 3. Формирование и изменение Структуры, фазового состава и свойств ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Mn на подложке из нержавеющей стали после электронно
пучковой обработки 47
3.1. Структурно-фазовые состояния ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Mn 47
3.2. Механические свойства ВЭС Кантора неэквиатомного состава Co-Cr-Fe-
Ni-Mn 54
3.3. Структура, фазовый состав и свойства ВЭС, после ЭПО 61
Заключение 77
Глава 4. Структура и свойства ВЭС наплавленного на сплав 5083 после электронно-пучковой обработки 79
4.1. Структура, фазовый состав и свойства ВЭС Кантора Co-Cr-Fe-Ni-Mn. 79
Заключение 88
4.2. Структура зоны контакта подложки (сплав 5083) и наплавки (ВЭС - Co-
Cr-Fe-Ni-Mn), после электронно-пучковой обработки 88
Заключение 94
Глава 5. Структура и свойства поверхности ВЭС Со-Cr-Fe-Ni-Al после нанесения пленки (B+Cr) и облучения импульсным электронным пучком 95
5.1. Структура и свойства ВЭС Cо-Cr-Fe-Ni-Al в исходном состоянии 95
5.2. Структура и свойства ВЭС с пленкой после ЭПО 98
Заключение 108
Основные выводы 110
Список литературы 112
ПРИЛОЖЕНИЯ 132
ПРИЛОЖЕНИЕ А - АКТ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ НА ООО «КУЗНЕЦКИЙ
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ЗАВОД- МЕТАЛЛУРГИЯ» 132
ПРИЛОЖЕНИЕ Б - АКТ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ НА АО «НЗРМК ИМ.Н.Е. КРЮКОВА» 133
ПРИЛОЖЕНИЕ В - СПРАВКА ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ НА ООО «КУЗБАССКИЙ ЦЕНТР СВАРКИ И КОНТРОЛЯ» 134
ПРИЛОЖЕНИЕ Г - СПРАВКА ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ
ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ В ФГБОУ ВО «СИБГИУ» 135
ПРИЛОЖЕНИЕ Д - СПРАВКА ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ
ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ В ГНЦ ФГУП«ЦНИИ ЧЕРМЕТ ИМ.И.П. БАРДИНА» 136
ПРИЛОЖЕНИЕ Е - СПРАВКА ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ
ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ В ООО «ПРОММЕСТ» 137
Начало 21 века переориентировало металловедов и металлофизиков на создание нового класса материалов - высокоэнтропийных сплавов (ВЭС). Как правило, эти сплавы имеют однофазную структуру с высоким комплексом механических свойств в широком температурном интервале. Интерес к исследованию ВЭС обусловлен их уникальными свойствами и перспективами их применения как, например, конструкционных материалов.
Многообразие комбинаций при создании ВЭС может достигать нескольких десятков тысяч только при использовании 13 металлов из периодической системы. Их число возрастет на порядки, если применять не эквиатомные составы. Это обеспечивает многообразие высоких функциональных свойств, таких как износо- и коррозионная стойкость, жаропрочность, сверхпластичность, повышенные магнитные и электрические свойства. Перспективными выглядят разработки магнитомягких материалов, свойствами которых можно управлять легированием и варьированием стехиометрии. Повышенный интерес представляют ВЭС на основе редкоземельных и тугоплавких элементов. В последние пять лет появились сообщения о высокоэнтропийных соединениях - боридах, нитридах, карбидах, силицидах пяти и более металлов.
Анализ литературы показывает, что ВЭС являются перспективными материалами для применения во многих наукоемких отраслях. Вследствие естественно возрастающих потребностей развивающейся промышленности в улучшенных функциональных металлических материалах необходимо создание новых перспективных технологий и на их основе улучшенных легированных сплавов. Так что в историческом аспекте появление в начале 21 века первых публикаций по созданию и исследованию ВЭС было вполне закономерным. В последние годы показано, что ВЭС демонстрируют целый ряд уникальных свойств, присущих, например, металлокерамикам. В настоящее время идет накопление и осмысление обширной информации по методам получения ВЭС, исследованию их структурно-фазовых состояний, дефектной субструктуры, свойств. К настоящему времени по базам данных Scopus и Web of Science
5
опубликовано порядка 10000 работ по проблеме ВЭС, причем доля публикаций
составляет 20-22% для Китая и США. Имеющиеся данные позволяют считать, что
бурное развитие ВЭС будет продолжено.
В последнее пятилетие наметились попытки улучшения свойств поверхности путем создания тонких покрытий и пленок и модифицирования поверхности ВЭС электронно-пучковой обработкой. Наибольшее
распространение получили магнетронное, термическое, лазерное напыление и электроосаждение пленок и покрытий. Таким методом были получены многослойные наноструктуры. Одним из перспективных высокоэффективных методов поверхностного упрочнения изделий является электронно-пучковая обработка. В результате такой обработки в поверхностных слоях формируются неравновесные микро и нанокристаллические структурно-фазовые состояния, а всё изделие приобретает улучшенные функциональные свойства. Имеющиеся на сегодня данные использования внешних энергетических воздействий и тенденции свидетельствуют о том, что такой подход является перспективным и можно ожидать прорывных достижений в области масштабного применения ВЭС.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Привлекательной особенностью ВЭС являются уникальные физико-механические и функциональные свойства по сравнению с традиционными легированными сплавами. На основе формирования однофазного термодинамически устойчивого и высокопрочного твердого раствора замещения преимущественно с ГЦК- или ОЦК- решеткой. Среди многообразия методов получения ВЭС особое место занимают аддитивные технологии. В последние годы наметились два принципиально новых направления в физике ВЭС: улучшение свойств поверхности путем создания тонких покрытий и пленок и модифицирование поверхности за счет внешних энергетических воздействий. Одним из высокоэффективных методов поверхностного упрочнения является электронно-пучковая обработка, обеспечивающая сверхвысокие скорости нагрева поверхностного слоя и охлаждения его за счет теплоотвода в основной объем материала, в результате чего образуются субмикро- и нанокристаллические
6
структурно-фазовые состояния. Научно-практический интерес представляют
другие виды поверхностной обработки ВЭС, в частности, напыление пленок. Это способствует появлению новых полезных свойств и позволяет значительно расширить области возможного применения ВЭС.
Цель работы: установление закономерностей формирования структурно- фазовых состояний и свойств ВЭС, подвергнутых электронно-пучковой обработке.
При достижении цели были решены следующие задачи:
1. Изучение структурно-фазовых состояний и свойств ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Mn, нанесенного на подложку из нержавеющей стали, проволочно-дуговой аддитивной технологией и подвергнутого электронно-пучковой обработке.
2. Изучение структурно-фазовых состояний и свойств ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Mn, нанесенного на подложку из сплава 5083, проволочно-дуговой аддитивной технологией и подвергнутого электронно-пучковой обработке
3. Анализ структуры и свойств зоны контакта «покрытия ВЭС Co-Cr-Fe-Ni- Mn/подложка (сплав 5083)» после электронно-пучковой обработки.
4. Выявление закономерностей эволюции структурно-фазовых состояний и свойств поверхности ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Al с пленкой (B+Cr) после электроннопучковой обработки.
Степень разработанности темы исследования. Исследование структурнофазовых состояний, свойств, термодинамики ВЭС, моделирования их структуры, методов получения и областей применения занимают одно из центральных мест в современной физике конденсированного состояния. По базе данных Web of Science число публикаций по этой теме уже значительно превышает 10000.
Наиболее значимые результаты достигнуты исследованиями отечественных и зарубежных ученых Погребняка А.Д., Рогачева А.С., Салищева Г.А., Фирстова С.А., Шайсултанова Д.Г., Senkov O.N., Chen S.K., Jeh J.W., Shang Y., Cantor B., Miracle D.B., Murty B.S. и других. Необходимо отметить, что число публикаций зарубежных коллег значительно больше, чем отечественных. Электроннопучковая обработка материалов, как показал анализ публикаций ученых
Института сильноточной электроники СО РАН РФ, приводит к наноструктурированию поверхности и значительному улучшению комплекса свойств. Необходимо констатировать, что, количество работ, по влиянию ЭПО на ВЭС крайне ограничено (Lyu P., Peng T., Cai J., Громов В.Е., Осинцев К.А.), что не позволяет провести систематический анализ и выявить физическую природу эволюции структуры, фазового состава и свойств ВЭС при электронно-пучковой обработке. Вышеизложенное позволило сформулировать тему исследования, постановку цели и задач.
Научная новизна. На основе выявленных закономерностей формирования и эволюции структуры и свойств ВЭС при электронной пучковой обработке в работе впервые:
1. Определены механические и трибологические свойства сплава ВЭС Co-
Cr-Fe-Ni-Mn, после ЭПО с плотностью энергии Е8 = 10-30 Дж/см2. Установлено, что ЭПО формирует в поверхностном слое до 5 мкм зеренную структуру высокоскоростной ячеистой кристаллизации, размер ячеек которой возрастает с ростом Е8 в диапазоне 310-800 нм. Показано, что ЭПО при Г, 15 Дж/см2
увеличивает износостойкость в 4,5 раза.
2. Исследованы структура и свойства ВЭС Кантора неэквиатомного состава Co-Cr-Fe-Ni-Mn, на подложке из сплава 5083. Показано, что нанесение покрытий ВЭС приводит к взаимному легированию покрытия и подложки. Проанализированы зависимости структурно-фазовых состояний покрытий от расстояния до зоны контакта «покрытие-подложка».
3. Выявлена роль ЭПО в изменении элементного и фазового состава, состояния дефектной структуры сплава в зоне контакта. Показано формирование многоэлементной субмикро- нанокристаллической структуры зоны контакта «покрытие (ВЭС)/подложка (сплав 5083) подложка», образовавшейся преимущественно в сплаве 5083.
4. Сформированная на поверхности ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Al пленка (Cr+B) после облучения электронным пучком в различных режимах плотности энергии пучка электронов обладает повышенной микротвердость и износостойкостью.
При этом коэффициент трения снижается. Обсуждена физическая природа наблюдаемых изменений.
Теоретическая и практическая значимость работы. Сформирован банк данных по влиянию электронно-пучковой обработки на эволюцию структурнофазовых состояний и свойств ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Mn и Co-Cr-Fe-Ni-Al, сформированных на подложках из нержавеющей стали и сплава 5083. Эти результаты имеют фундаментальную ценность для развития области физики конденсированного состояния, связанной с разработкой нового класса материалов и методов их поверхностной обработки. Результаты диссертации будут способствовать развитию теории структурно-фазовых превращений в многокомпонентных системах при облучении пучками электронов. Факультативные курсы по физическому материаловедению и физике конденсированного состояния могут содержать основные положения и выводы диссертации. Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты могут использоваться при решении металловедческих задач и создании технологий обработки ВЭС. Справки и акты об использовании результатов диссертационной работы прилагаются.
Методология и методы исследования. Результаты исследований отечественных и зарубежных ученых последних двух десятилетий, а также положения физики конденсированного состояния, физического материаловедения и физических методов исследования явились методологической основой работы.
При выполнении экспериментов использовалось аналитическое и испытательное оборудование кафедры естественнонаучных дисциплин имени профессора В.М. Финкеля, центра коллективного пользования «Материаловедение» при Сибирском государственном индустриальном университете, Томского материаловедческого центра коллективного пользования при Национальном исследовательском Томском государственном университете, лаборатории плазменной эмиссионной электроники Института сильноточной электроники СО РАН (оптический микроскоп Olympus GX-51, растровый электронный микроскоп Phillips SEM 515 с приставкой для
9 микрорентгеноспектрального анализа EDAX ECON IV, просвечивающий электронный дифракционный микроскоп JEOL JEM-2100F, прибор HVS-1000A, трибометр Pin on Disc and Oscillating TRIBOtester (TRIBOtechnic, Франция)).
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Результаты изучения структурно-фазовых состояний, механических и трибологических свойств ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Mn, на подложке из нержавеющей стали методом WAAM после ЭПО в различных режимах.
2. Совокупность изучения влияния ЭПО на структурно-фазовые состояния ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Mn, на подложке из сплава 5083, после ЭПО.
3. Результаты исследования элементного и фазового состава, дефектной субструктуры и свойств зоны контакта ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Mn-(покрытие) - сплав 5083 (подложка) после ЭПО.
4. Закономерности формирования и эволюции структуры, фазового состава и свойств поверхности ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Al с пленкой (Cr+B) после электроннопучковой обработки.
Достоверность результатов и сделанных выводов обеспечиваются, использованием современных взаимодополняющих методов современного физического материаловедения при исследовании структуры и свойств на сертифицированном исследовательском оборудовании, статистической обработкой результатов, а также сопоставлением полученных результатов, их соответствием с опубликованными работами других авторов и обсуждением на международных и всероссийских конференциях.
Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: 11-13th International online symposium on materials in external fields. Novokuznetsk, 2022-2024; XY Международная конференция «Металлургия 22», Новокузнецк, 2022; 3-я Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы и направления развития металловедения и термической обработки металлов и сплавов», Курск, 2022; Международные конференции Физическая мезомеханика материалов. Физические принципы
10 формирования многоуровневой структуры и механизмы нелинейного поведения, Томск, 2023-24; LXVIII Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» Витебск, Беларусь 2024.
Личный вклад автора. Автор лично принимал непосредственное участие при получении всех результатов диссертации. Разработка идеи исследований, их целей и задач, статистическая обработка и анализ данных, написание статей и тезисов формулировка основных положений и выводов выполнены автором.
Публикации. Результаты работы представлены в 35 публикациях, в том числе 12 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, 12 статьях в изданиях, входящих в перечень Scopus и Web of Science, 2 главах в монографиях. Список основных работ приведен в конце автореферата.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования, научной новизне соответствует пункту 3 «Экспериментальное исследование воздействия различных видов излучений, высокотемпературной плазмы на природу изменений физических свойств конденсированных веществ», пункту 6 «Установление закономерностей влияния технологии получения и обработки материалов на их структуру, механические, химические и физические свойства, а также технологические свойства изделий, предназначенных для использования в различных областях промышленности и медицины» паспорта специальности 1.3.8 «Физика конденсированного состояния» (технические науки).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа структурно выполнена в виде введения, 5 глав, основных выводов, приложений и списка цитируемой литературы из 155 наименований. Объем диссертации 137 страниц, в том числе 113 рисунков и 22 таблицы
Многообразие комбинаций при создании ВЭС может достигать нескольких десятков тысяч только при использовании 13 металлов из периодической системы. Их число возрастет на порядки, если применять не эквиатомные составы. Это обеспечивает многообразие высоких функциональных свойств, таких как износо- и коррозионная стойкость, жаропрочность, сверхпластичность, повышенные магнитные и электрические свойства. Перспективными выглядят разработки магнитомягких материалов, свойствами которых можно управлять легированием и варьированием стехиометрии. Повышенный интерес представляют ВЭС на основе редкоземельных и тугоплавких элементов. В последние пять лет появились сообщения о высокоэнтропийных соединениях - боридах, нитридах, карбидах, силицидах пяти и более металлов.
Анализ литературы показывает, что ВЭС являются перспективными материалами для применения во многих наукоемких отраслях. Вследствие естественно возрастающих потребностей развивающейся промышленности в улучшенных функциональных металлических материалах необходимо создание новых перспективных технологий и на их основе улучшенных легированных сплавов. Так что в историческом аспекте появление в начале 21 века первых публикаций по созданию и исследованию ВЭС было вполне закономерным. В последние годы показано, что ВЭС демонстрируют целый ряд уникальных свойств, присущих, например, металлокерамикам. В настоящее время идет накопление и осмысление обширной информации по методам получения ВЭС, исследованию их структурно-фазовых состояний, дефектной субструктуры, свойств. К настоящему времени по базам данных Scopus и Web of Science
5
опубликовано порядка 10000 работ по проблеме ВЭС, причем доля публикаций
составляет 20-22% для Китая и США. Имеющиеся данные позволяют считать, что
бурное развитие ВЭС будет продолжено.
В последнее пятилетие наметились попытки улучшения свойств поверхности путем создания тонких покрытий и пленок и модифицирования поверхности ВЭС электронно-пучковой обработкой. Наибольшее
распространение получили магнетронное, термическое, лазерное напыление и электроосаждение пленок и покрытий. Таким методом были получены многослойные наноструктуры. Одним из перспективных высокоэффективных методов поверхностного упрочнения изделий является электронно-пучковая обработка. В результате такой обработки в поверхностных слоях формируются неравновесные микро и нанокристаллические структурно-фазовые состояния, а всё изделие приобретает улучшенные функциональные свойства. Имеющиеся на сегодня данные использования внешних энергетических воздействий и тенденции свидетельствуют о том, что такой подход является перспективным и можно ожидать прорывных достижений в области масштабного применения ВЭС.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Привлекательной особенностью ВЭС являются уникальные физико-механические и функциональные свойства по сравнению с традиционными легированными сплавами. На основе формирования однофазного термодинамически устойчивого и высокопрочного твердого раствора замещения преимущественно с ГЦК- или ОЦК- решеткой. Среди многообразия методов получения ВЭС особое место занимают аддитивные технологии. В последние годы наметились два принципиально новых направления в физике ВЭС: улучшение свойств поверхности путем создания тонких покрытий и пленок и модифицирование поверхности за счет внешних энергетических воздействий. Одним из высокоэффективных методов поверхностного упрочнения является электронно-пучковая обработка, обеспечивающая сверхвысокие скорости нагрева поверхностного слоя и охлаждения его за счет теплоотвода в основной объем материала, в результате чего образуются субмикро- и нанокристаллические
6
структурно-фазовые состояния. Научно-практический интерес представляют
другие виды поверхностной обработки ВЭС, в частности, напыление пленок. Это способствует появлению новых полезных свойств и позволяет значительно расширить области возможного применения ВЭС.
Цель работы: установление закономерностей формирования структурно- фазовых состояний и свойств ВЭС, подвергнутых электронно-пучковой обработке.
При достижении цели были решены следующие задачи:
1. Изучение структурно-фазовых состояний и свойств ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Mn, нанесенного на подложку из нержавеющей стали, проволочно-дуговой аддитивной технологией и подвергнутого электронно-пучковой обработке.
2. Изучение структурно-фазовых состояний и свойств ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Mn, нанесенного на подложку из сплава 5083, проволочно-дуговой аддитивной технологией и подвергнутого электронно-пучковой обработке
3. Анализ структуры и свойств зоны контакта «покрытия ВЭС Co-Cr-Fe-Ni- Mn/подложка (сплав 5083)» после электронно-пучковой обработки.
4. Выявление закономерностей эволюции структурно-фазовых состояний и свойств поверхности ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Al с пленкой (B+Cr) после электроннопучковой обработки.
Степень разработанности темы исследования. Исследование структурнофазовых состояний, свойств, термодинамики ВЭС, моделирования их структуры, методов получения и областей применения занимают одно из центральных мест в современной физике конденсированного состояния. По базе данных Web of Science число публикаций по этой теме уже значительно превышает 10000.
Наиболее значимые результаты достигнуты исследованиями отечественных и зарубежных ученых Погребняка А.Д., Рогачева А.С., Салищева Г.А., Фирстова С.А., Шайсултанова Д.Г., Senkov O.N., Chen S.K., Jeh J.W., Shang Y., Cantor B., Miracle D.B., Murty B.S. и других. Необходимо отметить, что число публикаций зарубежных коллег значительно больше, чем отечественных. Электроннопучковая обработка материалов, как показал анализ публикаций ученых
Института сильноточной электроники СО РАН РФ, приводит к наноструктурированию поверхности и значительному улучшению комплекса свойств. Необходимо констатировать, что, количество работ, по влиянию ЭПО на ВЭС крайне ограничено (Lyu P., Peng T., Cai J., Громов В.Е., Осинцев К.А.), что не позволяет провести систематический анализ и выявить физическую природу эволюции структуры, фазового состава и свойств ВЭС при электронно-пучковой обработке. Вышеизложенное позволило сформулировать тему исследования, постановку цели и задач.
Научная новизна. На основе выявленных закономерностей формирования и эволюции структуры и свойств ВЭС при электронной пучковой обработке в работе впервые:
1. Определены механические и трибологические свойства сплава ВЭС Co-
Cr-Fe-Ni-Mn, после ЭПО с плотностью энергии Е8 = 10-30 Дж/см2. Установлено, что ЭПО формирует в поверхностном слое до 5 мкм зеренную структуру высокоскоростной ячеистой кристаллизации, размер ячеек которой возрастает с ростом Е8 в диапазоне 310-800 нм. Показано, что ЭПО при Г, 15 Дж/см2
увеличивает износостойкость в 4,5 раза.
2. Исследованы структура и свойства ВЭС Кантора неэквиатомного состава Co-Cr-Fe-Ni-Mn, на подложке из сплава 5083. Показано, что нанесение покрытий ВЭС приводит к взаимному легированию покрытия и подложки. Проанализированы зависимости структурно-фазовых состояний покрытий от расстояния до зоны контакта «покрытие-подложка».
3. Выявлена роль ЭПО в изменении элементного и фазового состава, состояния дефектной структуры сплава в зоне контакта. Показано формирование многоэлементной субмикро- нанокристаллической структуры зоны контакта «покрытие (ВЭС)/подложка (сплав 5083) подложка», образовавшейся преимущественно в сплаве 5083.
4. Сформированная на поверхности ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Al пленка (Cr+B) после облучения электронным пучком в различных режимах плотности энергии пучка электронов обладает повышенной микротвердость и износостойкостью.
При этом коэффициент трения снижается. Обсуждена физическая природа наблюдаемых изменений.
Теоретическая и практическая значимость работы. Сформирован банк данных по влиянию электронно-пучковой обработки на эволюцию структурнофазовых состояний и свойств ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Mn и Co-Cr-Fe-Ni-Al, сформированных на подложках из нержавеющей стали и сплава 5083. Эти результаты имеют фундаментальную ценность для развития области физики конденсированного состояния, связанной с разработкой нового класса материалов и методов их поверхностной обработки. Результаты диссертации будут способствовать развитию теории структурно-фазовых превращений в многокомпонентных системах при облучении пучками электронов. Факультативные курсы по физическому материаловедению и физике конденсированного состояния могут содержать основные положения и выводы диссертации. Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты могут использоваться при решении металловедческих задач и создании технологий обработки ВЭС. Справки и акты об использовании результатов диссертационной работы прилагаются.
Методология и методы исследования. Результаты исследований отечественных и зарубежных ученых последних двух десятилетий, а также положения физики конденсированного состояния, физического материаловедения и физических методов исследования явились методологической основой работы.
При выполнении экспериментов использовалось аналитическое и испытательное оборудование кафедры естественнонаучных дисциплин имени профессора В.М. Финкеля, центра коллективного пользования «Материаловедение» при Сибирском государственном индустриальном университете, Томского материаловедческого центра коллективного пользования при Национальном исследовательском Томском государственном университете, лаборатории плазменной эмиссионной электроники Института сильноточной электроники СО РАН (оптический микроскоп Olympus GX-51, растровый электронный микроскоп Phillips SEM 515 с приставкой для
9 микрорентгеноспектрального анализа EDAX ECON IV, просвечивающий электронный дифракционный микроскоп JEOL JEM-2100F, прибор HVS-1000A, трибометр Pin on Disc and Oscillating TRIBOtester (TRIBOtechnic, Франция)).
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Результаты изучения структурно-фазовых состояний, механических и трибологических свойств ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Mn, на подложке из нержавеющей стали методом WAAM после ЭПО в различных режимах.
2. Совокупность изучения влияния ЭПО на структурно-фазовые состояния ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Mn, на подложке из сплава 5083, после ЭПО.
3. Результаты исследования элементного и фазового состава, дефектной субструктуры и свойств зоны контакта ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Mn-(покрытие) - сплав 5083 (подложка) после ЭПО.
4. Закономерности формирования и эволюции структуры, фазового состава и свойств поверхности ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Al с пленкой (Cr+B) после электроннопучковой обработки.
Достоверность результатов и сделанных выводов обеспечиваются, использованием современных взаимодополняющих методов современного физического материаловедения при исследовании структуры и свойств на сертифицированном исследовательском оборудовании, статистической обработкой результатов, а также сопоставлением полученных результатов, их соответствием с опубликованными работами других авторов и обсуждением на международных и всероссийских конференциях.
Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: 11-13th International online symposium on materials in external fields. Novokuznetsk, 2022-2024; XY Международная конференция «Металлургия 22», Новокузнецк, 2022; 3-я Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы и направления развития металловедения и термической обработки металлов и сплавов», Курск, 2022; Международные конференции Физическая мезомеханика материалов. Физические принципы
10 формирования многоуровневой структуры и механизмы нелинейного поведения, Томск, 2023-24; LXVIII Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» Витебск, Беларусь 2024.
Личный вклад автора. Автор лично принимал непосредственное участие при получении всех результатов диссертации. Разработка идеи исследований, их целей и задач, статистическая обработка и анализ данных, написание статей и тезисов формулировка основных положений и выводов выполнены автором.
Публикации. Результаты работы представлены в 35 публикациях, в том числе 12 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, 12 статьях в изданиях, входящих в перечень Scopus и Web of Science, 2 главах в монографиях. Список основных работ приведен в конце автореферата.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования, научной новизне соответствует пункту 3 «Экспериментальное исследование воздействия различных видов излучений, высокотемпературной плазмы на природу изменений физических свойств конденсированных веществ», пункту 6 «Установление закономерностей влияния технологии получения и обработки материалов на их структуру, механические, химические и физические свойства, а также технологические свойства изделий, предназначенных для использования в различных областях промышленности и медицины» паспорта специальности 1.3.8 «Физика конденсированного состояния» (технические науки).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа структурно выполнена в виде введения, 5 глав, основных выводов, приложений и списка цитируемой литературы из 155 наименований. Объем диссертации 137 страниц, в том числе 113 рисунков и 22 таблицы
Используя методы просвечивающей, сканирующей электронной микроскопии, измерения механических и трибологических свойств выполнены исследования структурно-фазовых состояний и свойств ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Mn и Co-Cr-Fe-Ni-Al, полученных по аддитивной технологии на подложках из нержавеющей стали и сплава 5083 и подвергнутых ЭПО.
1. Определены механические свойства при сжатии и растяжении ВЭС Co - Cr-Fe-Ni-Mn, полученного при разных режимах наплавочного комплекса, что позволило выявить режим, обеспечивающий наилучшее сочетание прочности и пластичности. При испытаниях на сжатие условный предел текучести составил 279 МПа, временное сопротивление разрушению 1689 МПа, относительная деформация - 54%, а при растяжении - 279 МПа, 0500 МПа и 075%, соответственно. Параметр износа 2,9010-4 мм3/Н0м, коэффициент трения 0,62. Поверхность разрушения носит вязкий ямочный характер излома.
2. Электронно-пучковая обработка ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Mn с плотностью
энергии ES= 10 Дж/см2 сопровождается первичной рекристаллизацией с
образованием зерен размером 1,5-3 мкм. Увеличение ES в интервале= (15-30) Дж/см2 приводит собирательной рекристаллизации с ростом среднего размера зерен в интервале 35 до 120 мкм. Размер образующихся в объеме зерен ячейки высокоскоростной кристаллизации увеличивается в интервале 310 - 800 нм при соответствующем изменении ES в интервале 15-30 Дж/см2. Скалярная плотность дислокаций немонотонно уменьшается по мере удаления до 130 мкм от поверхности облучения, тип дислокационной субструктуры меняется от неразориентированной ячеистой до хаотической через неразориентированную ячеисто-сетчатую.
3. ЭПО сопровождается выделением наноразмерных (1 -3 нм) частиц FeCr округлой формы на дислокациях. Увеличение ES приводит при испытаниях на растяжение приводит к заметному снижению прочностных и пластических свойств относительно исходного состояния. Выявлены области материала,
111 разрушение которого произошло с образованием полосовой (пластинчатой) структуры, объемная доля которой увеличивается от 25% до 65 % при изменении ESB интервале 10-30 Дж/см2. Площадь излома пластинчатой структуры увеличивается от 25% при ES= 10 Дж/см2 до 65% при ES= 30 Дж/см2, что может являться одной из причин снижения прочности и пластичности материала в облученном состоянии.
4. При формировании ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Mn на поверхности сплава 5083 наблюдается взаимное легирование зоны контакта и повышается микротвердость. Формирование алюминидов железа (Al13Fe4) пластинчатой морфологии ответственно за упрочнение подложки. Образование зеренно-субзеренной структуры субмикронных размеров, на границах и в объеме которых наблюдаются наноразмерные частицы второй фазы (Al3Ni) обуславливает упрочнение ВЭС.
5. После ЭПО зоны контакта, слой, примыкающий к подложке, состоит из ячеек на основе твердого раствора Mg и Al, по границам которых выявлены прослойки второй фазы, обогащенные атомами, формирующими покрытие и подложку. Кристаллиты пластинчатой формы (Al 77 ат.%), являются основой центральной области зоны контакта. Контактный слой, примыкающий к покрытию, состоит из структуры высокоскоростной ячеистой кристаллизации, состава 0,17Mg-20,3Al-4,3Cr-16,7Fe-9,3Co-49,2Ni. Ячейки разделены прослойками фазы Al18Cr2Mg3.
6. Установлена природа и основные физические механизмы повышения механических и трибологических свойств ВЭС с пленкой Cr + В после ЭПО с плотностью ES = 20 Дж/см2. Показано, что зернограничный (формирование структуры ячеистой кристаллизации), твердорастворный (внедрение атомов В в решетку ВЭС), дисперсионный (формирование наноразмерных частиц второй фазы - бориды и оксибориды сложного элементного состава) являются основными упрочняющими факторами.
1. Определены механические свойства при сжатии и растяжении ВЭС Co - Cr-Fe-Ni-Mn, полученного при разных режимах наплавочного комплекса, что позволило выявить режим, обеспечивающий наилучшее сочетание прочности и пластичности. При испытаниях на сжатие условный предел текучести составил 279 МПа, временное сопротивление разрушению 1689 МПа, относительная деформация - 54%, а при растяжении - 279 МПа, 0500 МПа и 075%, соответственно. Параметр износа 2,9010-4 мм3/Н0м, коэффициент трения 0,62. Поверхность разрушения носит вязкий ямочный характер излома.
2. Электронно-пучковая обработка ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Mn с плотностью
энергии ES= 10 Дж/см2 сопровождается первичной рекристаллизацией с
образованием зерен размером 1,5-3 мкм. Увеличение ES в интервале= (15-30) Дж/см2 приводит собирательной рекристаллизации с ростом среднего размера зерен в интервале 35 до 120 мкм. Размер образующихся в объеме зерен ячейки высокоскоростной кристаллизации увеличивается в интервале 310 - 800 нм при соответствующем изменении ES в интервале 15-30 Дж/см2. Скалярная плотность дислокаций немонотонно уменьшается по мере удаления до 130 мкм от поверхности облучения, тип дислокационной субструктуры меняется от неразориентированной ячеистой до хаотической через неразориентированную ячеисто-сетчатую.
3. ЭПО сопровождается выделением наноразмерных (1 -3 нм) частиц FeCr округлой формы на дислокациях. Увеличение ES приводит при испытаниях на растяжение приводит к заметному снижению прочностных и пластических свойств относительно исходного состояния. Выявлены области материала,
111 разрушение которого произошло с образованием полосовой (пластинчатой) структуры, объемная доля которой увеличивается от 25% до 65 % при изменении ESB интервале 10-30 Дж/см2. Площадь излома пластинчатой структуры увеличивается от 25% при ES= 10 Дж/см2 до 65% при ES= 30 Дж/см2, что может являться одной из причин снижения прочности и пластичности материала в облученном состоянии.
4. При формировании ВЭС Co-Cr-Fe-Ni-Mn на поверхности сплава 5083 наблюдается взаимное легирование зоны контакта и повышается микротвердость. Формирование алюминидов железа (Al13Fe4) пластинчатой морфологии ответственно за упрочнение подложки. Образование зеренно-субзеренной структуры субмикронных размеров, на границах и в объеме которых наблюдаются наноразмерные частицы второй фазы (Al3Ni) обуславливает упрочнение ВЭС.
5. После ЭПО зоны контакта, слой, примыкающий к подложке, состоит из ячеек на основе твердого раствора Mg и Al, по границам которых выявлены прослойки второй фазы, обогащенные атомами, формирующими покрытие и подложку. Кристаллиты пластинчатой формы (Al 77 ат.%), являются основой центральной области зоны контакта. Контактный слой, примыкающий к покрытию, состоит из структуры высокоскоростной ячеистой кристаллизации, состава 0,17Mg-20,3Al-4,3Cr-16,7Fe-9,3Co-49,2Ni. Ячейки разделены прослойками фазы Al18Cr2Mg3.
6. Установлена природа и основные физические механизмы повышения механических и трибологических свойств ВЭС с пленкой Cr + В после ЭПО с плотностью ES = 20 Дж/см2. Показано, что зернограничный (формирование структуры ячеистой кристаллизации), твердорастворный (внедрение атомов В в решетку ВЭС), дисперсионный (формирование наноразмерных частиц второй фазы - бориды и оксибориды сложного элементного состава) являются основными упрочняющими факторами.