Структура поверхностных слоев модифицированных нанопорошком оксигидроксида алюминия

2. На основе предложенной модели определен оптимальный диапазон размеров частиц, обеспечивающий эффективный транспорт модификатора потоком газа. Нижний диапазон размеров частиц составляет 120нм, т.к. при меньшем размере частицы не вносятся в струю транспортирующего газа. При размере частиц более 150нм появляется вероятность образования такого дефекта как «включение». Соответственно размер частиц должен находиться в диапазоне 120-150нм.

3. В зависимости от количества частиц, которые были транспортированы потоком газа, определены рациональные технологические параметры (размер частиц, их средняя насыпная плотность) 3-х типов модификаторов для аустенитных сталей: вольфрам - 122нм, 15г/см3; молибден (Mo) - 127нм, 4г/см3; оксогидроксид алюминия ^Ю^^) - 150нм, 0,4г/см3. Т.е. количество частиц транспортированных потоком газа должно стремиться к максимуму.

Таблица 1

Рациональные технологические параметры частиц порошков-модификаторов

Порошок-модификатор Размер, нм Средняя насыпная плотность, г/см3 Расход, мг/м

вольфрам (W) 122 15 4

молибден (Mo) 127 4 4

оксогидроксид алюминия (AlO(OH)) 150 0,4 4

Список литературы

1. В.И. Мажукин, А.В. Шапранов, B.E. Пережигин. Математическое моделирование теплофизичес-ких свойств, процессов нагрева и плавления металлов методом молекулярной динамики // X International Seminar «Mathematical Models & Modeling in Laser-Plasma Processes & Advanced Science Technologies» -2012 - Vol XXIV - с. 47-65.

2. В.И. Мажукин, А.В. Шапранов. Математическое моделирование процессов нагрева и плавления металлов. Часть I. Модель и вычислительный алгоритм // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша - 2012 - № 31 - 27 с. URL: http://library.keldysh.ru/preprint.asp?id=2012-31.

3. В.И. Махненко. Перспективы развития математического моделирования и информационных технологий в сварке и родственных процессах // Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах: сборник трудов Международной конференции; ИЭС им Е.О. Патона, Киев, 2002 - с. 3-11.

1М.А. Кузнецов, 2Г.В. Шляхова, к.т.н., 1,3В.И. Данилов, д.ф-м.н., 1Е.А. Зернин,

к.т.н., 1С.В. Дементьев \<Юргинский технологический институт (филиал) ФГАОУ ВО «Национальный

исследовательский Томский политехнический университет», 2Северский технологический институт Национального исследовательского \ ядерного университета (МИФИ), Россия, Томская обл., г. Северск, |

3Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Россия

Структура поверхностных слоев модифицированных нанопорошком оксигидроксида алюминия

УДК 621.791.92:620.03

Введение

Механические, технологические, эксплуатационные свойства поверхносных слоев напрямую ] зависят от формы и размеров зерен, которые формируются в результате, кристаллизации [1, 2, |

3, 4, 5, 6, 7, 8]. Существенно повлиять на размер зерна можно модифицированием. Наибольший | эффект модифицирования достигается при введении в расплав мелкоразмерных частиц, с более

высокой чем у стали температурой плавления. В настоящее время перспективным методом модифицирования считается введение в наплавляемый металл нанодисперсных металлических и неметаллических порошков, приводящее к существенному повышению конструктивной прочности стали [9, 10, 11, 12, 13].

В работе рассматривается способ модифицирования поверхносных слоев наноструктури-рованными порошками оксигидроксида алюминия.

Методика проведения исследований

Для проведения экспериментальных

исследований были получены поверхностные слои сваркой плавящимся электродом в среде аргона образцов, изготовленных из стали аустенитного класса (12Х18Н10Т), проволокой сплошного сечение диаметром 1,2 мм.

Образцы изготавливались по двум технологиям: №1 - в среде аргона проволокой сплошного сечения; №2 - в среде аргона проволокой сплошного сечения с добавлением нанопорош-ка АЮ(ОН) в защитный газ с помощью разработанного авторами устройства, детальное описание которого приведено в [14]. Рациональ ная концентрация наноструктурированного

а

порошка в защитном газе рассчитывалась по методике, описанной в работе [15].

В каждом образце были изготовлены поперечные протравленные по режиму, описанному в [14], металлографические шлифы. Исследование структуры наплавленного металла проводилось методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) на микроскопе Solver PH47-PRO.

Результаты исследований и их обсуждение

Было установлено, что поверхностный слой состоит из двух подслоев, структура которых существенно различна. Основной микроструктурной составляющей первый, примыкающий к свободной поверхности, слой являются сравнительно короткие, сильно разветвленные и не имеющие преимущественной ориентации дендриты (рис. 1).

Профилограмма к 2D-изображению позволяет определить ширину границ дендритов, которая не превышает 300 нм. На 3 D -изображении (рис. 1, б) представлен общий вид коротких дендритов. Они действительно не

имеют ярко выраженной ориентации относительно направления тепловых потоков. Разветвления («отростки») дендритов в данном слое образца № 1 без модификатора имеют неболь шую длину (5...10 мкм) по сравнению с осевой длиной дендрита.

Наиболее ярко слой неориентированных дендритов выражен в образце № 2, модифици рованного наноструктурированным порошком А10(0Н) (рис. 2). При этом если в образце без модификатора дендриты образуют практически непрерывную сетку, то в образце, модифициро ванным наноструктурированным порошком А10( ОН), наблюдаются островки свободной поверхности, где выделить границы зерен не удается.

Использование атомно-силовой микроскопии показало, что ширина границ дендиртов в образце № 2, модифицированного наноструктурированным порошком А1О(ОН) такая же как и в образце № 1 без модификатора (рис. 2, а). Только в узлах, где соприкасаются соседние дендриты она увеличивается до 1 мкм.

а

Общий вид и ориентация коротких дендри-тов в данном слое образца №2, модифицированного наноструктурированным порошком AlO( OH) (рис. 2, б) аналогичен общему виду дендритов в образце №1 без модификатора.

Слой сравнительно коротких, сильно разветвленных и не имеющие преимущественной ориентации дендритов плавно переходит в следующий слой ориентированных дендритов.

Ориентация длинных осей дендритов в рассматриваемом слое нормальна к

границе сплавления - вдоль направления теплового потока в основной металл.

Вблизи границы сплавления в образце №1 без модификатора они образуют полосы, разделенные промежутками свободной поверхности, где границы зерен не выявляются (рис. 3). В каждой полосе длинные оси дендри-тов практически параллельны, а разветвлен-ность отсутствует.

III ШЛИ 20 15 30 40 -45

В образце № 2, модифицированного нанос-труктурированным порошком AlO(OH), полосы дендритов не наблюдаются, но и здесь отчетли во выражена параллельность длинных осей дендритов (рис. 4).

Выводы

1. Установлено, что применение нанос-труктурированного порошка оксигидроксида алюминия обеспечивает модифицирование поверхностных слоев.

2. Определено, что при введении в поверхностный слой наноструктурированных порошков AlO(OH) реализуется наивысший эффект модифицирования системы Fe - ^ N - ^ и повышаются его эксплуатационные свойства. Это объясняется формированием в расплаве дополнительных центров кристаллизации.

3. Применение в качестве модификатора наноструктурированного порошка AlO (OH) обеспечивает более равновесную структура

10 15 » г? „„ Л А* 40 45 »

Рис. 3. АСМ 2D-изображение (а) и АСМ 3D-изображение дендритов во втором слое образца № 1

V""

а

б

поверхностных по размеру дендритов.

Рис. 4. АСМ 2D-изображение (а) и АСМ 3D-изображение дендритов во втором слое образца № 2

Списоклитературы

1. Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. - 3-е., издание., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 648 с.: ил.

2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов: Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1977. -408 с.

3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. - 3-е изд., перераб. и доп. -М: Машиностроение, 1990. - 528 с. ил.

4. Лившиц Л.С. Металловедение для сварщиков (сварка сталей). - М.: Машиностроение, 1979. - 253 с.

5. Il'yaschenko D.P., Chinakhov D.A., Danilov V.I., Schlyakhova G.V. and Gotovshchik Yu M 2015 IOP Conference Series: Materials Science and Engineering Physical Nature of the Processes in Forming Structures, Phase and Chemical

Compositions of Medium-Carbon Steel Welds 91 pp

6. Il'yaschenko D.P., Chinakhov D.A., Danilov V.I., Schlyakhova G.V. and Gotovshchik Yu M 2015 IOP Conference Series: Materials Science and Engineering Increasing Strength and Operational Reliability of Fixed Joints of Tubes by MMA Welding 9 1 p p http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/91/1/012007/pdf.

7. Pavlov N.V., Kryukov A.V., Zernin E.A. and Gritsenko V.V. 2015 IOP Conference Series: Materials Science and Engineering Systems to Control Molten Metal Transfer in Arc Welding 91 pp http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/91/1/012021/pdf.

8. Кузнецов М.А., Карцев Д.С., Журавков С.П., Баранникова С.А. 2015 Технологии и материалы Структурообразование и коррозионная стойкость сварных соединений из стали аустенитного класса 1 с. 18-24.

9. Соколов Г.Н., Трошков А.С., Лысак И.В., Самохин А.В., Благовещенский Ю.В., Алексеев А.Н., Цветков Ю.В. Влияние нанодисперстных карбидов WC и никеля на структуру и свойства наплавленного металла. // Сварка и диагностика. - 2011. - №3. Материаловедение.- с. 36-38.

10. Соколов Г.Н., Лысак И.В., Трошков А.С., Зорин И.В., Горемыкина С.С., Самохин А.В., Алексеев А.Н., Цветков Ю.В. Модифицирование структуры наплавленного металла нанодиспер-сными карбидами вольфрама. // Физика и xимия обработки материалов. - 2009. - №6. - с. 41 - 47.

11. Еремин Е.Н. Применение наночастиц тугоплавких соединений для повышения качества сварных соединений из жаропрочных сплавов. // Омский научный вестник. - 2009. -№3. - с. 63-67.

12. Коберник Н.В., Михеев Р.С., Панкратов А.С., Линник А.А. Модифицирование наплав- ^ ленного металла наноразмерными частица- ^ ми карбида вольфрама с целью повышения * эксплуатационных свойств сварных соедине- в. ний. // Инженерный вестник. - 2013. - №4. - с. ^ 9-12. ^

13. Кузнецов М.А., Зернин Е.А., Колмого-  ров Д.Е., Шляхова Г.В., Данилов В.И. Строе- * ние, морфология и дисперсность металла, наплавленной дуговой сваркой плавящимся электродом в аргоне в присутствии нанос- § труктурированных модификаторов // Сварка и В диагностика. - 2012. - №6. - С. 8-10. §5 14. Kuznetsov M.A., Barannikova S.A., ^ Zernin E.A., Filonov A.V., Kartsev D.S. 2015