Формирование бимодальной структуры в материале покрытия при электронно-лучевой наплавке

Формирование бимодальной структуры в материале покрытия при электронно-лучевой наплавке

С.Ф. Гнюсов, В.Г. Дураков

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия

Изучен процесс формирования структуры покрытия при электронно-лучевой наплавке. В качестве наплавочного материала использовали порошковые смеси Си-Сг и Р6М5 + ТЮ. 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.

Formation of bimodal structure of coating material in electron-beam facing

S.F. Gnyusov and V.G. Durakov

The structure formation of a coating in electron-beam facing has been studied. The powder mixture Cu-Cr and P6M5 + TiC as a facing material was used. It is shown that due to the formation of a strongly overheated zone in the effective area of an electron beam all components of a powder mixture of the facing material are melted or dissolved in the liquid bath. Fast crystallization of the melt provides the formation of oversaturated solid solution. Coating ageing results in a multimodal distribution of strengthening phase particles in the bulk of the faced layer.

1. Введение

Развитие энергетики и машиностроения ведет к росту удельных нагрузок на детали машин и требует разработки новых конструкционных материалов и упрочняющих технологий. Эти требования соединяются в методе электронно-лучевой наплавки, позволяющем формировать композиционный материал в виде защитного покрытия на поверхности изделия.

Метод электронно-лучевой наплавки реализуется путем подачи наплавляемого материала в зону действия электронного луча, обычно развернутого в линию поперек направления перемещения наплавляемого изделия [1]. Концентрированный ввод энергии, до 105 Вт/см2, и значительный перегрев узкой области ванны в зоне действия электронного луча будет способствовать растворению твердых частиц в сварочной ванне, а минимальное время ее существования и большая скорость охлаждения расплавленного металла — формировать пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в матрице наплавленного материала. Данные факторы существенно отличают метод электронно-лучевой на-

плавки от других методов нанесения покрытий. Представляет интерес изучить процесс формирования структуры при электронно-лучевой наплавке материалов, состоящих из нескольких компонентов с различной растворимостью друг в друге.

Целью данной работы являются изучение структуры и фазового состава покрытий из материалов, не растворимых друг в друге, и материалов с ограниченной растворимостью и исследование влияния на структуру покрытия режимов наплавки и последующей термической обработки.

2. Материал и методика проведения исследования

Для наплавки использовали смесь порошков меди ПМС-В с хромом (компоненты, не растворимые друг в друге) и композиционный порошок Р6М5 + ТІС (карбид титана частично растворяется в стальной матрице). Дисперсность наплавляемых порошков составляла величину 100-250 мкм. Электронно-лучевая наплавка производилась на установке по методике, описанной в [1]. Ускоряющее напряжение равнялось 28 кВ, элект-

© Гнюсов С.Ф., Дураков B.r., 2004

ронный луч разворачивался в линию длиной 5-10 мм поперек движения наплавляемой детали при диаметре электронного луча 1 мм. Частота сканирования луча — 400 Гц по пилообразному закону. Ток луча менялся в пределах от 30 до 150 мА. Наплавка велась на медные и стальные заготовки толщиной 10-20 мм. Наплавленный слой толщиной 3-5 мм формировался в процессе нескольких проходов электронного луча, обычно не более 10.

Структурные исследования проводили методами металлографии, рентгеноструктурного анализа и микро-рентгеноспектрального анализа. Микрорентгено-спектральный анализ проводился с помощью элект-ронно-зондового рентгеновского микроанализатора «КАМЕВАХ» в отдельных точках (анализируемая площадь ~ 1 мкм2).

После наплавки образцы разрезали поперек наплавленного валика для проведения металлографических исследований. Микроструктура наплавленных покрытий исследовалась на продольных и поперечных шлифах с помощью оптического микроскопа №ор^^32. В качестве травителя использовалась азотная кислота. Рентгеноструктурный анализ исследуемых образцов проводился на установке ДРОН-3 с использованием фильтрованного медного излучения.

3. Результаты и обсуждение

Процесс формирования структуры в случае наплавки псевдосплава с нерастворимыми друг в друге компонентами Си-Сг происходит следующим образом. Электронный луч создает на поверхности медной заготовки расплавленную зону, в которую специальным образом подают смесь порошков меди и хрома. Температура в расплавленной зоне распределена крайне неравномерно. Непосредственно в зоне действия электронного луча существует значительный локальный перегрев. Данное обстоятельство приводит к плавлению не только частиц меди, но и хрома, имеющего температуру плавления на 794 °С больше температуры плавления меди. Перемешивание расплавов меди и хрома за счет интенсивных конвекционных потоков и последующая кристаллиза-

ция приводят к диспергации частиц хрома и формированию структуры с существенно меньшим размером частиц хрома по сравнению с исходным состоянием. Локальный перегрев ванны приводит также к повышенной взаимной растворимости компонентов, а быстрая кристаллизация расплава обеспечивает формирование сильно пересыщенного твердого раствора. Таким образом, на формирование структуры оказывают влияние величина перегрева ванны в зоне действия электронного луча, температура подложки, определяющая скорость охлаждения расплава и интенсивность перемешивания компонентов расплава.

На рисунке 1 показано влияние на структуру наплавленного покрытия технологических параметров процесса электронно-лучевой наплавки. Когда температура ванны в зоне действия электронного луча не превышает температуру плавления хрома, но выше температуры плавления меди, то формируется структура, состоящая из медной матрицы и исходных частиц хрома (рис. 1, а). Данная структура подобна структуре, образующейся при жидкофазном спекании смеси Си-Сг. На рис. 1, б представлена структура, сформированная при большем токе электронного луча. Температура ванны в зоне действия электронного луча в данном случае превысила значение температуры плавления хрома, и интенсивность перемешивания расплава оказалась достаточной для разбиения крупных капель хрома на более мелкие с последующим формированием мелкозернистой структуры. Средний размер зерен хрома уменьшился примерно в 10 раз. Более детальный анализ полученной структуры [2] показал наличие двух пиков на графике распределения по размерам зерен хрома. Первый пик находится в области 0.5 мкм, а второй — в области 5 мкм. Наличие частиц хрома с размерами менее 1 мкм обусловлено процессом выделения хрома из сильно пересыщенного твердого раствора в результате старения наплавленного покрытия.

Дальнейшее увеличение тока электронного луча приводит к росту температуры подложки, уменьшению интенсивности конвекционных потоков, увеличению времени существования ванны и проявлению эффекта

Рис. 1. Микроструктура наплавленного слоя Си-Сг, полученного при разных энергетических параметрахр электронного луча: р1 (а), р2 (б), Рз где Р1 < Р2 < Рз

01 23456789 10

СІ, мкм

Рис. 2. Гистограмма зерен хрома по размерам в контактном материале Си-Сг, соответствующая режиму наплавки рис. 1, б

кумулятивной сегрегации хрома. В результате при кристаллизации расплава формируется структура, представленная на рис. 1, в, которая характеризуется наличием областей с крупными выделениями переплавленного хрома. Из трех представленных структур наибольшую практическую ценность имеет структура, изображенная на рис. 1, б. Переплав в вакууме обоих компонентов смеси дополнительно приводит к процессу рафинирования сплава и в 5-10 раз уменьшает общее количество кислорода и других вредных примесей. Данное обстоятельство весьма благоприятно сказывается на работоспособности наплавленного псевдосплава Си-Сг в качестве контактного материала вакуумных дугогасительных камер.

При использовании наплавочных смесей, состоящих из компонентов с ограниченной растворимостью и с большей разницей их температур плавления (Р6М5 + ТІС), формирование структуры наплавленного слоя происходит несколько иным образом. Несмотря на достаточно высокий перегрев в зоне действия электронного луча его величины все же недостаточно для расплавления частиц карбида титана. Увеличение тока электрон-

ного луча приводит к росту глубины проплавления подложки и соответственно к увеличению доли материала подложки в наплавленном слое, уменьшая при этом долю карбидной фазы в покрытии [2]. При этом локальный перегрев активирует процессы растворения карбида титана в стальной матрице. Последующий трехкратный отпуск позволяет выделить в покрытии из твердого раствора фазу, состоящую из мелкодисперсного сложного карбида, который дополнительно упрочняет матрицу. Следовательно, в процессе наплавки и старения формируется структура, состоящая из мартенситной матрицы, частиц карбида титана и мелкодисперсных частиц сложного карбида (рис. 3, а). На графике распределения по размерам частиц упрочнителя наблюдаются два максимума: один в области 2.5 мкм, а другой в области 5-10 мкм (рис. 3, б). Первый пик обусловлен частицами, выделившимися из твердого раствора, а второй — исходными частицами карбида титана.

Знание закономерностей формирования структуры в процессе электронно-лучевой наплавки позволило успешно решить ряд практических задач. Прошли успешные испытания вакуумных дугогасительных камер с электродами, изготовленными из сплава Си-Сг с помощью метода электронно-лучевой наплавки. Они показали увеличение пробойного напряжения, отключающей способности и в целом надежности вакуумных выключателей. Разработанная технология электронно-лучевой наплавки карбидосталей была успешно применена для упрочнения деталей землеройной техники, штампов горячего деформирования металла и других деталей.

4. Выводы

Определяющим фактором в процессе формирования бимодальной структуры наплавленного материала является температура ванны в зоне действия электронного луча, которая, в свою очередь, определяется технологическими параметрами процесса электронно-лучевой

СІ, ММ

Рис. 3. Микроструктура наплавленного слоя Р6М5 + ТЮ после трехкратного старения 560 °С

наплавки. Основными из них являются ток электронного луча, геометрические параметры развертки луча, скорость наплавки и температура подложки. Общим во всех случаях электронно-лучевой наплавки является формирование сильно пересыщенного раствора при быстрой кристаллизации расплава. Малое время существования жидкой ванны не позволяет твердым частицам полностью раствориться в матрице, поэтому при старении или отпуске наплавленного слоя, которое может быть проведено в едином цикле наплавки, будет

формироваться бимодальное распределение частиц упрочняющей фазы.

Литература

1. Панин В.Е., Белюк С.И., Дураков В.Г., Прибытков Г.А., Ремпе Н.Г.

Электронно-лучевая наплавка в вакууме: оборудование, технология, свойства покрытий // Сварочное производство. - 2000. -

№2.- С. 34-38.

2. Дехонова С.З., Дураков В.Г., Гнюсов С.Ф. Формирование бимодаль-

ной структуры псевдосплава Си-Сг методом электронно-лучевой наплавки // Сварочное производство. - № 10. - 2003. - С. 19-23.